Musí mít záložní elektrocentrály vždy dieselový motor?
Při cvičení složek Integrovaného záchranného systému v Praze vyšla najevo nevýhoda záložních elektrocentrál s dieselovými motory, a to díky omezené době provozu. Záložní dieselgenerátory mají standardně palivovou nádrž dostačující na 8-10 hodin provozu. Pokud ale dojde skutečně k plošnému blackoutu v rámci kraje nebo celé ČR, bude záložní elektrocentrála v provozu několik desítek hodin, případně dní.
Spolehlivá dodávka elektrické energie je pak závislá na logistice paliva, a většina čerpacích stanic (jak se právě ukázalo v Praze) záložní elektrocentrálu nemá.
Záložní agregát pro výrobu elektrické energie je spolehlivý pouze tak, jak spolehlivá je jeho dodávka paliva.
Proč vlastně dnes používáme pro nouzovou výrobu elektrické energie palivo, které patří k nejdražším?
Záložní elektrocentrálu s dieselovým motorem, spalujícím motorovou naftu, najdeme dnes v každém objektu kritické infrastruktury. V případě citlivých provozů, jako jsou nemocnice, datová centra, zařízení pro úpravu a dopravu pitné vody atd. je trvalá dodávka elektrické energie mimořádně důležitá. Spolehlivý start, přijatelnou cenu a schopnost absorbovat skokovou změnu zátěže oceňují i provozovatelé technologií, závislých na nepřetržité dodávce elektrické energie. A v nouzových situacích, kdy je na prvním místě záchrana hodnot, případně lidských životů, není ani vysoká cena paliva velkým handicapem.
Dieselgenerátor v kontejnerovém provedení s přídavnou palivovou nádrží
Záložní zdroje mají přirozeně omezený počet hodin provozu, protože se spouštějí pouze tehdy, když dojde k přerušení dodávky z veřejné sítě. Ale čím více hodin záložní zdroj pracuje, tím se volba paliva stává důležitější. Provoz dieselgenerátoru je při dlouhodobém chodu až 7x dražší než provoz generátoru na plyn o stejném výkonu.
U spolehlivostních projektů, zpracovávaných společností Zeppelin CZ v posledních letech, se jistota dodávky elektřiny z rozvodné sítě (dostupnost) s omezením na makrovýpadky (přerušení dodávky na dobu delší než 10 sekund) pohybovala v rozmezí 0,994 – 0,998. Stejnou dostupnost bude mít i dodávka motorové nafty pro záložní elektrocentrálu. V případě použití zemního plynu je ale tato dostupnost minimálně o jeden řád vyšší (pokud je ovšem do objektu zemní plyn přiveden). Toto tvrzení se opírá o strukturu a topologii dopravní cesty tohoto paliva. Od ložiska zemního plynu až ke spotřebiteli jsou pouze kompresní stanice (které jako palivo spotřebovávají „vlastní“ zemní plyn) a pasivní články (redukční tlakové stanice, ventily, měřiče spotřeby atd.). V této souvislosti není nezajímavé zjištění, že dostupnost dodávky elektrické energie z větrných elektráren se pohybuje v rozmezí 0,95 až 0,98 – tento parametr samozřejmě platí pouze v době, kdy fouká vítr.
K uvedené výhodě plynových elektrocentrál se přidávají již známé vlastnosti plynových spalovacích motorů: snadná údržba s delším servisním intervalem, nižší emise a zejména nižší cena paliva.
Plynová elektrocentrála ve strojovně
Mezi aplikace, pro které mohou být vhodnější záložní agregáty na zemní plyn, patří:
- Provozy podléhající přísnějším požadavkům na emise
- Oblasti, které musí odolávat častým a/nebo nebezpečným bouřím (hurikánům, extrémní zimě a/nebo záplavám), kde agregát nemusí být po delší dobu přístupný.
- Aplikace, kde se dají očekávat delší výpadky
Jak již bylo uvedeno, největší výhodou používání zemního plynu pro záložní zdroje je (kromě ceny) vyšší dostupnost dodávky paliva. Rozvody zemního plynu zajišťují dodávku v režimu 7/24/365, jsou umístěny v zemi, což znamená, že jsou všeobecně chráněny před bouřemi, záplavami a hurikány (to vše naopak ohrožuje elektroenergetickou síť). Také je odstraněna potřeba palivových nádrží, které vyžadují doplňování, údržbu, pravidelnou obměnu paliva (zejména u nafty s biosložkou). Zemní plyn neobsahuje biosložky, má téměř neomezenou trvanlivost, „nekazí se“.
Jediné nebezpečí pro plynovody je zemětřesení, které ale v podmínkách ČR není příliš pravděpodobné.
Používáme-li pro provoz dieselových elektrocentrál „alternativní palivo“ místo nafty, musíme toto palivo před přivedením do vstřikovacího systému motoru předehřívat, nebo do paliva přidávat další aditiva. Navíc taková paliva způsobují degradaci motorového oleje a jeho častější výměnu. To vše dále zhoršuje ekonomii provozu a snižuje spolehlivost stroje. S těmito problémy se u plynového motoru nesetkáme.
Provozní náklady na elektrocentrály na zemní plyn jsou dramaticky nižší než u dieselových jednotek. I v případě omezeného počtu hodin využívání záložního zdroje se úspory rychle sčítají. Záložní napájecí systém je obvykle v provozu po dobu mezi 50 a 100 hodin ročně a maximálně 500 hodin za rok. Při dnešních cenách paliv může záložní systém na zemní plyn využívaný pouze po dobu 50 hodin ročně ušetřit až 300 tis. Kč za rok v nákladech na palivo. Tyto úspory ovlivní ekonomii provozu plynového záložního zdroje, a to používaného buď samostatně, nebo jako doplněk tradičních dieselových záložních systémů. Možnost přechodu na zemní plyn během delšího výpadku může značně snížit provozní náklady.
Dalším přínosem používání zemního plynu jsou nižší emise výfukových plynů. Agregáty na zemní plyn s úsporným spalováním chudé směsi uvolňují až pětkrát méně NOx a v podstatě nulové množství pevných částic ve srovnání s tradičními zdroji s dieselovými motory.
Použití plynového motoru pro zabezpečené napájení má také svá úskalí. Jako první je nutno zmínit větší citlivost motoru na okolní klimatické podmínky: nadmořskou výšku místa provozu, teplotu prostředí a kvalitu paliva. Tyto parametry je nutno konzultovat s dodavatelem stroje, který kvalifikovaně posoudí možnosti použití a doporučí případné úpravy provozních podmínek. Zvláště důležitá je stálá teplota vzduchu, nasávaného do spalovací komory motoru.
Stará inženýrská zkušenost říká, že pro každý stroj je nejkritičtější jeho startování a zastavení. To platí i pro oba typy motorů. U plynového motoru je dalším problémem schopnost (či spíše neschopnost) pracovat s malým zatížením (cca pod 50% jmenovitého výkonu), a omezení skokové změny zátěže. Tato závislost je různá pro různé modely jednotlivých výrobců a je předmětem současného vývoje na všech zainteresovaných pracovištích. Zatímco dieselový motor při minimálním zatížení vykazuje „jen“ vyšší kouřivost, u plynového motoru dochází k rychlému znečištění zapalovacích svíček, což může vést až k zastavení stroje. Pravidelné testování, které je u nouzových zdrojů určeno provozním předpisem, se provádí v naprosté většině případů při chodu naprázdno – tedy pro plynový motor zcela nevhodným způsobem. Přitom i z hlediska bezpečnosti a spolehlivosti by bylo žádoucí, aby při testu záložního zdroje se testovala celá trasa až ke spotřebičům.
V řadě případů může být řešením záložní elektrocentrála s dieselovým motorem, upraveným pro spalování směsi nafta-plyn. Tato elektrocentrála si zachovává výkonové charakteristiky dieselového motoru a přitom má schopnost používání zemního plynu (či propanu nebo bioplynu) v případě dlouhodobého výpadku.
Motorgenerátor upravený pro spalování směsi nafta-plyn
Zdálo by se, že dieselové agregáty budou vždy mít na trhu záložních zdrojů jedinečnou pozici. Ale jejich dominance se ztrácí. Výrobci uvádějí stále nové a dokonalejší typy plynových strojů s lepšími transientními charakteristikami. Nové typy plynových motorů Cat® řady 3500 dokážou převzít až 100 % zatížení při dodržení tolerancí dle normy ISO 8528. Pravděpodobně stále ještě nejsou tak dokonalé jako dieselový protějšek, ale pokud dokážou splnit požadavky provozovatele, lze minimálně doporučit zvážení dalších výhod plynu, aby bylo možné zvolit to nejlepší řešení. Klíčovým bodem je to, že plynová varianta je nyní zpět ve hře. Po dlouhou dobu se předpokládalo, že dieselové jednotky jsou jedinou volbou pro záložní zdroje. Ale mezi zlepšující se plynovou technologií a zpřísňujícími se emisními předpisy se plynové záložní zdroje opět staly životaschopnou možností.
Někdy provozní předpis vyžaduje tzv. „palivo na místě“. Jiné předpisy zakazují závislost na veřejných službách při dodávce paliva, chlazení nebo jiných požadavcích provozu. Zemní plyn je obvykle považován za zdroj z veřejné sítě a není považován za palivo na místě. Před přechodem na zemní plyn je třeba tyto podmínky vyjasnit.
Co říci závěrem? Musíme vzít do úvahy dostupnost paliva během jakékoliv závažné události, při které potřebujeme zachovat provoz objektu. Měli bychom hledat nějaký druh napájecího zdroje s dvojím palivem? Měli bychom zvažovat objekty s „kritickým posláním", které mají dva různé agregáty - jeden s uložením paliva na místě (nafta), a jeden zásobovaný pomocí paliva v potrubí (zemní plyn)? Nebo snad ponechat záložní elektrocentrály tak, jak jsou – se zásobou nafty na omezenou dobu provozu? Pokud uvážíme využití plynové kogenerační jednotky jako záložního zdroje, tak můžeme získat zařízení, které přes rok vyrábí teplo a elektrickou energii a v případě potřeby poslouží i jako záloha. Proč tedy mít dvě zařízení, jedno které vyrábí a jeho investice se vrací a druhé které jen čeká, stojí peníze (pravidelné servisní prohlídky, výměna náplní apod.) a jeho investice se nikdy nevrátí. Rozhodnutí je samozřejmě na vás. My můžeme jen konstatovat, že plynové motory a jejich vlastnosti se blíží motorům naftovým a brzy se jim i vyrovnají.
Společnost Zeppelin CZ s.r.o., výhradní prodejce stavebních strojů a zařízení Cat® pro Českou republiku, dodává na český trh širokou škálu stavebních, zemních, zemědělských a důlních strojů amerického výrobce Caterpillar. Je také dodavatelem ...
