Mikrokogenerace z biomasy jako prostředek k úsporám primárních energií a CO2

Datum: 20.2.2017  |  Autor: Ing. Jakub Maščuch, Ph.D., Ing. Petr Mydlil, ČVUT UCEEB  |  Recenzent: Ing. Kateřina Dittel Ksandrová, Bosch Termotechnika s.r.o.

Dotace v oblasti úspor energií jsou směřovány k projektům s prokazatelnými úsporami CO2 a s vhodnými ekonomickými parametry. Projekty jsou pak koncipovány jako kombinace stavebních a technologických opatření. Pro přípravu takového projektu je vhodné mít k dispozici škálu opatření s různými provozními a investičními parametry.

Tento příspěvek si neklade za cíl analyzovat celou problematiku mikrokogenerace z biomasy včetně provozních aspektů, upozorňuje pouze na některé zajímavé efekty jejího nasazení za současných legislativních a dotačních podmínek.

Při pohledu ze širší perspektivy je možné konstatovat, že stávající paradigma centrální výroby elektřiny a velkých systémů centralizovaného zásobování teplem (CZT) je zřejmě na hranici své morální životnosti. EU investuje značné prostředky do vývoje technologií spojených s vizí Smart Grids, tedy rozptýlených energetických zdrojů malého výkonu s vysokou mírou využití obnovitelných zdrojů a kombinované výroby elektřiny a tepla. Obecně díky zateplování a regulaci klesá poptávka po teple na vytápění, stagnuje spotřeba tepla na přípravu teplé vody a spotřeba elektřiny. Stále častěji je poptávána možnost zálohovat elektrické odběry v místě spotřeby. Energetický regulační úřad připravuje změnu tarifní struktury v oblasti distribuce, která se má projevit zejména u malých a středních odběrů zvýšením plateb za distribuci. Uvedené faktory vedou stále častěji k úvahám o lokálním zabezpečení tepelných i elektrických potřeb objektů. Investoři a developeři nejrůznějších typů staveb od průmyslových hal přes administrativní objekty až po bytové domy navíc stále více koketují s myšlenkami na „nulové budovy“, tedy objekty s vyrovnanou roční produkcí a spotřebou energií.

Zajímavým příspěvkem k naplňování nových potřeb uživatelů, požadavků předpisů na energetické parametry nových budov a k dosahování úspor primárních energií a CO2 je kombinovaná výroba elektřiny a tepla z biomasy. Uvažovat o mikrokogeneraci je vhodné i v případě, že investor plánuje přechod z fosilního zdroje na biomasu a zvažuje, kterou z dostupných biomasových technologií zvolí. Je zřejmé, že toto řešení zdaleka není vhodné pro každou instalaci. V podmínkách ČR je využitelné například tam, kde je nutné řešit zálohování klíčových elektrických systémů s využitím lokálně dostupné dřevní suroviny, kterou investor disponuje. Zajímavý tržní potenciál pro tuto technologii lze spatřovat spíše v zahraničí (Sibiř, Aljaška, Kanada), a to v místech, kde jsou problematicky dostupná kapalná paliva (vysoké náklady nebo problematická dostupnost) pro provoz klasických centrál a snadno dostupná biomasa, která se k vytápění již využívá.

Mikrokogenerace je navíc jednou z velmi mála možností, kterou má investor do rekonstrukce starších a problematicky stavebně modifikovatelných objektů, jak splnit požadavky legislativy na energetickou náročnost budovy. Mikrokogenerace také velmi ovlivňuje výsledky hodnocení průkazu energetické náročnosti budovy (PENB), který je dnes ze zákona povinnou součástí obchodních i nájemních vztahů kolem nemovitostí.

Příklad technologie mikrokogenerace na biomasu

Příkladem technologie pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla z biomasy je zařízení WAVE vyvíjené v Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT v Buštěhradu. Zařízení pracuje na principu tzv. organického Rankinova cyklu (ORC). Vlastní vývoj technologie ORC započal na Ústavu energetiky Fakulty strojní ČVUT v Praze v roce 2008. V první etapě prací byly provedeny analýzy perspektivy jednotky pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla nízkého elektrického výkonu na úrovni 1 kWel z biomasy. Výsledkem bylo, že pokud se podaří připravit zařízení podobné automatickému kotli na biomasu, má taková technologie reálnou šanci na trhu uspět i za současných ekonomických podmínek a je tak efektivní se vývoji v této oblasti věnovat [1]. Od 1. 1. 2013 je technologie dále vyvíjena v Laboratoři organických Rankinových cyklů a jejich aplikací (LORCA) na půdě ČVUT UCEEB, v průběhu let 2013–2014 se vývoj orientoval do zvyšování spolehlivosti a užitných parametrů komponent.

Ačkoliv je možné technologie s využitím ORC cyklu pro výkony vyšší než 50 kW elektrického výkonu považovat za komerčně „vyřešenou“ záležitost, o nízkých elektrických výkonech toto nelze v žádném případě říci. Různé varianty ORC jsou v celosvětovém měřítku předmětem intenzivního výzkumu a vývoje, věnuje se mu přibližně třicítka výzkumných a vývojových pracovišť. S ohledem na tuto skutečnost je v současné době poněkud problematické hodnotit budoucí produkční náklady zařízení a celou ekonomiku jejich výroby, instalace a provozu. Jako smysluplné se ale ukazuje v prostředí technické vysoké školy tyto technologie ověřovat a hodnotit jejich vlastnosti.

Od ledna 2015 se intenzivně věnujeme vývoji zařízení pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla z dřevních štěpek, které se vizi „složitějšího automatického kotle pro produkci tepla a malého množství elektřiny“ již úspěšně přibližuje. Funkční schéma zařízení je na obrázku 1.

Obr. 1 Schéma zapojení ORC cyklu mikroelektrárny WAVE
Obr. 1 Schéma zapojení ORC cyklu mikroelektrárny WAVE
Obr. 2 Prototyp mikroelektrárny WAVE v laboratoři LORCA v ČVUT UCEEB
Obr. 2 Prototyp mikroelektrárny WAVE v laboratoři LORCA v ČVUT UCEEB

Prototypová jednotka (laboratorní výzkumné zařízení) je v testovacím provozu v laboratoři LORCA od března 2016. Tepelný i elektrický výkon je vyveden do příslušných systémů budovy UCEEB, čímž je plně využita infrastruktura, kterou bylo centrum pro tyto účely vybaveno. Můžeme tak dokonce říci, že jde o testování v reálných podmínkách.

Teplo ze spalin vzniklých spalováním dřevních štěpek je vedeno do výparníku (viz obr. 1). Ve výparníku teplo prostupuje do pracovní látky (silikonový olej – hexametyldisiloxan), která se vypařuje. Vzniklé páry konají práci v expandéru, v našem případě používáme tzv. lamelový expandér vlastní konstrukce. Vzniklý mechanický výkon je za pomocí asynchronního generátoru transformován na elektřinu, která je vyvedena s využitím standardní sestavy frekvenční měnič – rekuperační jednotka. Páry jsou po vykonání práce vedeny do kondenzátoru. Teplo odvedené z kondenzujících par je na teplotní úrovni 80/60 °C odvedeno topnou vodou do systému vytápění budovy UCEEB. Kondenzát je z kondenzátoru veden do zásobníku kondenzátu a napájecím čerpadlem čerpán do výparníku, čímž je pracovní cyklus uzavřen.

Prototypová jednotka aktuálně pracuje s celkovou účinností přes 80 % a generuje cca 1 kW čistého elektrického výkonu (po pokrytí veškerých vlastních spotřeb zařízení včetně spalovací části) při tepelném výkonu 50 kW. Po dokončení testovací fáze bude přistoupeno k optimalizaci práce komponent cyklu, předpokládá se dosažení čistého elektrického výkonu v nominálním stavu nad hranicí 2 kW (při svorkovém výkonu na úrovni 3,5 kW).

Provozní bilance pilotního zařízení

Na úspory primární energie a CO2 mají vliv nejen jmenovité parametry zařízení, ale zejména jeho vlastnosti provozní. Instalace pilotní jednotky, která se připravuje na rok 2017, pracuje s parametry uvedenými v tabulce 1. První instalace zařízení WAVE předpokládají jeho maximální využití, typicky se může jednat o instalaci v závodě na zpracování dřeva (vlastní levné palivo, využití tepla po celý rok na sušení dřeva) nebo objekty s vyšší spotřebou teplé vody, jako jsou restaurace, penziony (ideálně umístěné mimo osídlené oblasti), ale také např. objekty poskytující sociální služby jako jsou domovy pro seniory. Právě domov pro seniory umístěný v historickém zámečku byl použit jako referenční objekt pro posouzení úspor CO2 a primární energie. Pro porovnání je v téže tabulce uvedena bilance kotle na biomasu o stejném jmenovitém tepelném výkonu.

Tab. 1: Provozní parametry WAVE a konvenčního kotle na štěpku
WAVEKonvenční kotel na štěpku
Příkon v palivukW65,258,8
Tepelný výkonkW5050
Elektrický výkon svorkovýkW3,50
Vlastní spotřebakW1,50,1
Elektrický výkon čistýkW2−0,1
Celková účinnost%8085
Využití jmenovitého výkonuhod/rok7 6977 697
Výroba teplaGJ/rok1 3861 386
Výroba elektřinyMWh15,4−0,770
Spotřeba palivaGJ1 8081 630

Poznámka: V tabulce 1 je uvedena záporná výroba elektrické energie. Tím je vyjádřeno, že konvenční kotel nejen elektřinu nevyrábí, ale naopak spotřebovává (pohon dopravníku, ventilátorů spalovacího vzduchu, apod.). Zařízení WAVE produkuje 2 kW elektrické, veškerá jeho elektrická spotřeba je již zahrnuta.

Tab. 2: Porovnání produkce CO2 a spotřeby PEZ kotle na štěpky a WAVE
WAVEKonvenční kotel na štěpku
Produkce CO2tun/rok018,9
Spotřeba NPEZGJ/rok90256

Tabulka 2 ukazuje výsledky porovnání výpočtu úspor neobnovitelných primárních energií a CO2 pro běžný automatický kotel na dřevní štěpky a pro mikrokogenerační zařízení. Z porovnání je zřejmá poměrně zajímavá úspora způsobená výrobou elektřiny. Pro vyčíslení úspory CO2 jsou použity tzv. emisní faktory, které obsahuje např. vyhláška č. 480/2012 Sb., která uvádí nulovou produkci CO2 při spalování biomasy a produkci 1,17 t CO2 na MWh spotřebované elektřiny. Výpočet pracuje se situací, kdy je veškerá vyprodukovaná elektřina spotřebována přímo v modelovém objektu, ve variantě instalace konvenčního kotle by tedy musela být nakupována z veřejné distribuční sítě. Elektřina vyrobená zařízením WAVE není dle této metodiky zatížena produkcí CO2 – je vyráběna z biomasy. Většina nakupované elektřiny naopak pochází z elektráren, které využívají především fosilní paliva. S tím je spojena spotřeba tzv. primárních zdrojů neobnovitelné energie (dále jen PEZ). Úspora PEZ, která je vyčíslena v tabulce 2, pracuje s metodikou dle ČSN 73 0540, která obsahuje tzv. faktory neobnovitelné primární energie, které zohledňují, jaké množství primárních neobnovitelných zdrojů je spotřebováno na výrobu určitého druhu energie. Nejvyšší faktor rovný 3 má pochopitelně elektrická energie odebíraná z distribuční soustavy (je z drtivé většiny vyráběna v konvenčních tepelných elektrárnách spalujících hnědé uhlí), nejnižší 0,05 má naopak biomasa (nenulová hodnota odráží fakt, že biomasa musí být před svým spálením upravena, popř. dovezena na místo spotřeby při využití fosilních paliv).

Úspora CO2 je pozitivně hodnocena v řadě dotačních titulů, např. v operačním programu OP PIK Úspory energie, který hodnotí celkovou dosaženou úsporu energií, podíl obnovitelných zdrojů energie a kolik bude nutné investovat na úsporu 1 tuny CO2. V případě, že dochází k výměně zdroje tepla na fosilní paliva za zdroj na biomasu, bude hodnocení projektu a tím šance na získání podpory poměrně vysoká. Problém nastává ve chvíli, kdy žadatel již obnovitelné zdroje využívá, ale je nucen k jejich výměně, např. z důvodu jejich stáří.

Představme si situaci, kdy je objekt uvažovaný v tabulce 1, zásobován kotlem na kusové dřevo, který je již nevyhovující a je nutná jeho výměna. Vzhledem k tomu, že biomasa nemá v dané metodice hodnocení žádnou produkci CO2, výměnou zdroje za nový nemůže dojít ani k žádné úspoře CO2. Bodové hodnocení bude v této části nulové. Projekt by získal body pouze za procentuální úsporu paliva vlivem výměny za účinnější zdroj, což by však například v bodovém hodnocení programu OP PIK vypsaném v roce 2015 neznamenalo žádný významnější bodový zisk, který by projekt posunul nad minimální počet bodů potřebný pro získání dotace. Vlastní výroba elektřiny z biomasy je naopak hodnocena velmi pozitivně, oproti elektřině nakupované z veřejné distribuční sítě, která je dle metodiky znamená produkci 1,17 tuny CO2 na každou spotřebovanou MWh, neprodukuje WAVE CO2 žádné.

Pro úplnost uveďme, že aktuální cena instalace pilotní mobilní kotelny na biomasu s technologií WAVE vybavené pro možnost ostrovního provozu včetně investiční přípravy, inženýringu a uvedení do provozu činí 1,97 mil. Kč bez DPH při svorkovém elektrickém výkonu cca 3,5 kW. Ceny prvních produkčních jednotek připravovaných na rok 2018 budou záviset na výsledcích testování pilotních jednotek, které je plánováno na druhou půlku roku 2017.

Pro úvahy o praktické uplatnitelnosti zařízení je nutné přihlédnout k jeho provozním specifikům. Například pilotní instalace počítají kvůli provozním charakteristikám cyklu s relativně velkou akumulací tepla i elektrické energie (cca 4 m3 vodního objemu akumulátoru a 7,5 kWh kapacity bateriového uložiště).

Závěr

Současné parametry zařízení WAVE odpovídají stavu jeho dokončení. Na aktuální stádium prototypu navážou první dvě pilotní instalace v reálném provozu s předpokládaným spouštěním v druhé polovině roku 2017. Dosahované parametry (zejména čistý elektrický výkon 2 kW) však stále nebudou dostatečné na to, aby bylo zařízení možné obecně označit za ekonomicky výhodné. Problematická bude samozřejmě i jeho vysoká cena, která se výrazně liší od ceny předpokládané při zahájení sériové výroby.

Stávající technologie je schopná po dalších inovacích dosáhnout na maximální čistý elektrický výkon 4 kW. Nové generace již počítají s využití sériového zapojení více tepelných cyklů (včetně Rankinova parního cyklu). Teoreticky dosažitelný elektrický výkon se pohybuje až na 20 kW, reálně lze očekávat atakování hranice 8 až 10 kW. To jsou již hodnoty, které přináší dostatečný ekonomický efekt např. i pro instalaci v budovách pouze pro zajištění tepla pro vytápění (tedy pro relativně nízké roční využití instalovaného výkonu).

Pilotní jednotky WAVE však mohou přinést zákazníkovi užitek i v současnosti, např. díky své schopnosti ostrovního provozu se může stát zdrojem pro objekty, které nejsou připojeny k elektrické síti, popř. dochází k častým výpadkům. Řadu podobných objektů lze nalézt i v prostředí ČR, ale hlavní potenciál těchto instalací tkví v zahraničí, zejména v méně obydlených oblastech, kde je relativní dostatek paliva – biomasy, ale naopak je velký problém dopravit sem kvalitní paliva jako naftu, benzín, popř. stlačený plyn, které jsou v současnosti prakticky jedinými alternativami pro možnost kombinované výroby elektřiny a tepla.

Poděkování

Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.

Literatura

  1. MAŠČUCH, J. Organický Rankinův cyklus v decentralizované mikrokogeneraci. Praha, 2014. Disertační práce. ČVUT v Praze. Fakulta strojní. Školitel doc. Ing. Michal Kolovratník, CSc.
 
Komentář recenzenta
Ing. Kateřina Dittel Ksandrová, Bosch Termotechnika s.r.o.

Hlavním tématem článku jsou úspory primárních energetických zdrojů a snížení produkovaných emisí CO2 využitím obnovitelných zdrojů, v daném případě biomasy.

Autoři vycházejí ze sílícího trendu snižování energetické náročnosti, přicházejících smart grids a v neposlední řadě „hrozbě“ nulových budov. Ve všech bodech souhlasím s tím, že kombinovaná výroba energií v mikrokogeneraci dává široké možnosti využití a hlavně obrovský potenciál uplatnění v lokálních sítích zásobování elektřinou a teplem.

Z praktického hlediska je však nutné přihlédnout také k dalším faktorům, které reálně brání širšímu rozšíření představené technologie a troufám si tvrdit, že v případě biomasy de facto limitují uplatnění v reálných podmínkách.

Dnes jsou výrobci schopni nabídnout ucelené řešení na výrobu elektřiny a tepla. Z ekonomického hlediska je návratnost (bez ohledu na lokalitu instalace v Evropě) takovéto technologie cca od 500 kW instalovaného tepelného výkonu. Samozřejmě se objevují také menší instalace v řádech desítek kW instalovaného výkonu či jednotek kW, nicméně ve většině případů se jedná o instalace referenčního charakteru, ve spolupracích s výzkumnými institucemi a jejich ekonomická výhodnost není prokazatelná, nejčastěji s odůvodněním, že se jedná o výzkum.

Představená technologie Wave deklaruje jmenovitý výkon zařízení 50 kW tepelných (při spádu 80/60) a 3,5 kW elektrických. Pomineme-li potřebu prostoru pro skladování paliva, který při daném výkonu není zanedbatelný, dále zajištění optimálních vlastností štěpky (zejména vlhkost a nedřevní části, které mohou vést k poškození dopravníku), je nutné si uvědomit, že logistika, nejčastěji kamionová doprava, kterou je štěpka dovážena, může vést k lokálnímu zvýšení nejen emisí CO2, ale také NOx. Samostatnou kapitolou jsou emise TZL, které vznikají při spalování všech tuhých paliv včetně štěpky.

Dále je nutné si uvědomit, že pokud zařízení není provozováno na jmenovitý výkon, může se poměrně významně měnit elektrická účinnost, protože generátor má v různých pracovních bodech různou účinnost a při provozu na nižší výkon může tedy dojít ke ztrátě elektrické účinnosti. Vzhledem k poměru vyrobených energií, je také nutné zajistit dostatečně velkou akumulaci vyrobené tepelné energie, vždy v návaznosti na ztráty konkrétního objektu, nicméně pro kogenerační jednotky je doporučená velikost akumulace min. 50 litrů na 1 kW výkonu, tzn. min. 2,5 m3.

Prostorové nároky takovéto instalace jsou tedy dány nejen instalací zásobnímu paliva (štěpky), dopravníků, samotného zařízení, ale také akumulace tepla, logicky můžeme dále uvažovat se zásobníkem teplé vody a zásobníkem na popel.

Pokud je toto zařízení porovnáno čistě s konvenčním kotlem na štěpku tak, jak to udávají autoři článku, je možné vykázat určité procento úspor emisí škodlivin. Nicméně pokud by byla ke konvenčnímu kotli na štěpku instalována např. fotovoltaická elektrárna, poměry úspor by se velmi rychle obrátily, a to i v případě instalace velmi malého výkonu – řádově cca 3 kW. Konvenční kotel může být v takovém případě provozován alespoň částečně modulačně dle skutečných spotřeb energie, vlastnosti paliva (zejména jeho vlhkost přestává být limitující pro výrobu el. energie) a vlastní spotřeba kotle v porovnání s technologií Wave je taktéž zanedbatelná. Nehledě o ekonomické náročnosti.

Reálně je v ČR spalování štěpky v takto malých výkonech nákladově nestabilní a při současných cenách energií se může dostat na úroveň spalování zemního plynu. Dále logistika paliva a zajištění jeho vlastností je diskutabilní. Reálně si umím představit, že by realizace byla možná zejména v objektech, kde jsou nyní uhlí nebo biomasa již využívána. Výstavba v nových objektech není z ekonomických a výše zmíněných prostorových nároků příliš reálná. Z hlediska účinnosti výrob energií ve spojení se snižováním emisí a zvyšováním podílu OZE zde spíše přichází do úvahy např. využití bioplynu v mikrokogeneraci ze sítě z lokálních bioplynových stanic nebo využití tepelných čerpadel ve spojení s lokálními fotovoltaickými elektrárnami jako smart grid.

English Synopsis
Primary energy savings and CO2 savings by using biomass microCHP plant

Paper describes selected effects of implementation of biomass microCHP generation in Czech legal conditions. Selected demonstration of biomass CHP is described and basic operational energy balances are presented. Comparison of microCHP and ordinary biomass boiler energy balance were performed. MicroCHP technology WAVE, which is being developed at CTU UCEEB in Buštěhrad, is described. Operational parameters of WAVE and future development outline were discussed.

 

Hodnotit:  

Datum: 20.2.2017
Autor: Ing. Jakub Maščuch, Ph.D., ČVUT UCEEBIng. Petr Mydlil, ČVUT UCEEBRecenzent: Ing. Kateřina Dittel Ksandrová, Bosch Termotechnika s.r.o.



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (16 příspěvků, poslední 27.02.2017 11:18)


Projekty 2017

Partneři - Energetika

logo KAMSTRUP
logo Yello Energy
logo BOSCH
 
 

Aktuální články na ESTAV.czŠťavnatá jarní prémie na střešní okna FAKROMimořádná akce PVK: Rozbor vody zdarmaVysokotlaká pistole Kärcher EASY!Force – nová převratná koncepce v ovládáníDopravu v Náchodě a okolí od pondělí zkomplikuje oprava silnice