Co s tepelnými elektrárnami v éře obnovitelných zdrojů?

Pokud si někdo myslí, že v době solárních kolektorů a větrných elektráren, které na poli energetiky hrají čím dál větší roli, jsou parní turbíny zastaralá technologie, má svým způsobem pravdu. Současné parní turbíny nejsou stavěné na možné kolísání napětí z obnovitelných zdrojů, a provoz v režimu „start-stop“, tedy časté vypínání, zapínání nebo třeba jen změny výkonu, mohou lopatky stávajících turbín nenávratně poškodit. Z podnětu Evropské unie spojili přední světoví výrobci turbín síly, a v čele s plzeňskou Doosan Škoda Power se snažili vyvinout takovou turbínu, která bude těmto novým standardům vyhovovat.

V panelu diskuze konference Turbomachines 2018 zasedli (zleva): Ján Štuller, vládní zmocněnec pro jadernou energetiku, Jiří Šmondrk, CEO Doosan Škoda Power, Michael Ladwig (Ger.), prezident asociace EU Turbines, Ivan Dudurych (Ir.), systémový konzultant v EIRGRID, Alexander Wiederman (Ger), senior product manager v MAN Energy Solutions.

Projekty FLEXTURBINE and TURBO-REFLEX

„Současné i budoucí tepelné elektrárny budou muset být flexibilní, což vede ke zvýšenému namáhání kritických komponent elektráren, jako jsou právě turbíny. Ty proto budou muset být podstatně robustnější a zároveň budou muset být aplikovatelné i pro rekonstrukce současných elektráren,” říká Luboš Prchlík ze společnosti Doosan Škoda Power a dodává: „Poslední tři roky se soustředíme na pokročilé monitorování a analýzu provozu stávajících turbosoustrojí a úpravy kritických komponent za účelem zvýšení flexibility a účinnosti provozu elektráren.“

Očekává se, že do roku 2030 by mělo být zrekonstruováno 10 % instalované kapacity fosilních zdrojů s použitím řešení vyvinutých v rámci projektů FLEXTURBINE a TURBO-REFLEX. Tyto inovace mají potenciál každoročně uspořit až 100 milionů euro v rámci Evropy snížením nákladů na flexibilní provoz a pravidelnou údržbu elektráren. Nejvýznamnějšími faktory budou snížení minimálního povoleného výkonu, zkrácení najížděcích časů a snížení nákladů na palivo zkrácením doby od zahájení spalování paliva do okamžiku, kdy elektrárna skutečně začne dodávat energii do sítě.

Detaily nejmodernější turbíny pro flexibilní provoz.

„Představme si, že turbína může mít až 1000 lopatek, z nichž každá váží až 50 kilogramů. I při minimálních výkonových změnách se mohou lopatky poškodit. V naší plzeňské experimentální laboratoři jsme také vyvíjeli a testovali nové typy ložisek a ucpávek, které zajistí bezpečný provoz turbín právě při takových flexibilních provozech. V neposlední řadě jsme dále zdokonalili námi vyvinutou technologii detekce a lokalizace kontaktu rotor/stator při provozu parních turbín, která je už patentovaná v České republice, Evropě a USA,“ vysvětluje přínosy projektu jeho spoluřešitel, Dr. Jaroslav Synáč ze společnosti Doosan Škoda Power, který zároveň stojí v čele Katedry energetických strojů a zařízení Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni. Tato technologie je již standardně nasazována v praxi a v rámci projektu Turboreflex dochází k jejímu dalšímu zdokonalování.

Mezi nově vyvinuté technologie patří také systémy monitorování dějů uvnitř turbíny při jejich flexibilním provozování, vyhodnocování získaných dat v reálném čase a následného optimálního řízení provozu elektráren za účelem zvýšení účinnosti, flexibility a snížení emisí. Další inovace, které z projektů vzešly, umožní, že plynová turbína bude také schopná sloužit jako součást velkokapacitního úložiště energie z obnovitelných zdrojů. Všechna tato zlepšení by kromě zvýšení bezpečnosti a efektivity provozů měla také snížit obecné náklady na provoz.

„Ačkoliv jsme na evropském trhu svým způsobem konkurenti, výsledky naší intenzivní spolupráce na vývoji a testování flexibilních turbín jsou ku prospěchu nás všech – tím nemyslím jen výrobce, ale i běžné spotřebitele. Do roku 2030 by tento projekt mohl snížit cenu jednoho cyklu paroplynové elektrárny až o 30 %, což se může projevit na cenách elektřiny v celé Evropě,“ říká Dr. Alexander Wiedermann, spoluřešitel projektu FLEXTURBINE a Senior Manager ve společnosti MAN Diesel & Turbo.

Finance a partnerství

„Oba projekty – Flexturbine a Turboreflex – byly převážně financovány z evropských prostředků z programu Horizon 2020. Tato jednorázová investice ve výši zhruba 20 milionů EUR, na které se částečně podíleli všichni řešitelé projektu, má potenciál každoročně uspořit až pětinásobek. Lepší návratnost investovaných peněz si nedokážu představit,“ říká Jiří Šmondrk, generální ředitel Doosan Škoda Power. Z řady institucí a společností stojí za zmínku zejména trojice největších výrobců parních turbín, kam kromě Doosan Škoda Power patří také americká General Electric a německý Siemens. Z českých akademických kruhů se do řešení projektů zapojili vědci a studenti ze Západočeské univerzity v Plzni nebo pražské ČVUT. Do diskuse, která na konferenci následovala představení výsledků výzkumu, svou expertizu přenesli například Ján Štuller, vládní zmocněnec pro jadernou energetiku nebo Jiří Plešek, ředitel Ústavu termomechaniky Akademie věd České republiky. Hlavním cílem obou projektů bylo reagovat na proměny energetického trhu, který čím dál víc nahrává zavádění obnovitelných zdrojů do elektrické sítě.

Financování a ziskovost samotných elektráren závisí na mnoha faktorech. Investiční náklady jsou u flexibilních turbín podobné, jako u turbín klasických, ale budoucí točivé zdroje budou v provozu kratší dobu. Spíše než za dodanou elektřinu bude výrazně větší část jejich provozu uhrazena platbami za podpůrné služby a za pohotovostní kapacitu (kapacitní mechanismy).

Čím menší turbína, tím je flexibilnější, výrobci tak počítají hlavně s produkcí strojů s výkonem okolo 150 MW. I přes menší výkon si takové turbíny nekonkurují s kogeneračními jednotkami a mikroturbínami, které se výkonově pohybují o řád níže.

Fosilní image aneb kde uplatnit turbíny?

Přes skvělé pokroky výrobců v účinnosti a odolnosti jsou turbíny v očích zákazníků i politiků spojeny s fosilními palivy, jejichž používání je – minimálně v EU – dlouhodobě nežádoucí. Tato „fosilní image“ proto snižuje zájem o turbíny hlavně u evropských zákazníků. Kromě „image“ jsou dalšími výzvami pro výrobce turbín turbín pokles cen technologií OZE, nástup alternativ (baterie) a nízké využití turbín v plynových elektrárnách (tzn. delší návratnost, malý zájem).

Uhelné elektrárny chce EU v zájmu dekarbonizace nahradit v rámci možností co nejrychleji. Stávající uhelné zdroje mají omezenou možnost přejít na spalování biomasy. Elektrárny na zemní plyn jsou kvůli „fosilní image“ přijímány jako nutné zlo a momentálně je většina projektů ztrátová kvůli levnému uhlí a omezené době provozu. Parní turbíny se také potýkají s „fosilní image“, i když jejich použití je mnohem širší, např. paroplynové elektrárny, geotermální provozy, koncentračně solární elektrárny.

Cílem EU je plná dekarbonizace energetického sektoru do roku 2050. Jestliže životnost turbíny je 20 – 30 let, je nejvyšší čas připravit takové technologie, které bude možné provozovat i v roce 2050. To znamená takové, které nebudou závislé na fosilních palivech a naopak budou schopny zpracovávat „obnovitelná paliva“ jako je syntetický metan, vodík a další.

„Obnovitelná paliva“ by se mohla prosadit ze dvou důvodů:

1. Je to další způsob akumulace energie,
2. Jsou kompatibilní se stávající infrastrukturou pro fosilní paliva – produktovody, čerpací stanice atd.

Zatím nevíme, kdy se tato paliva prosadí, ale může to být velmi rychle. Mají-li se točivé zdroje udržet na trhu, musí mít pro tuto variantu v předstihu připravené technické řešení, upozornil Michael Ladwig, prezident asociace EU Turbines.

Evropě by prospěl větší blackout

„Aby si evropští politici při honbě za obnovitelnými zdroji uvědomili zákony fyziky, chtělo by to nějaký masivní blackout,“ otevřel diskuzi CEO Doosan Škoda Power Jiří Šmondrk. Po takové události by se politici jistě stavěli k obnovitelným zdrojům střízlivěji. Michael Ladwig doplnil, že objem obnovitelných zdrojů s akumulátory v Německu stoupá každým dnem. Čím dál víc obcí nebo regionů je již díky OZE energeticky soběstačných i sezónně. Objevují se dny, kdy spotřebu elektřiny v Německu 100% pokryjí obnovitelné zdroje, a takových dnů bude každým rokem přibývat. „Přes to všechno se zatím nekonal žádný blackout, ani se nevyskytují problémy s frekvencí. Je mi líto. Naši inženýři jsou příliš dobří,“ konstatoval Michael Ladwig.

A co turbíny pro jádro?

Jaderné elektrárny jsou samozřejmě relevantní technologií pro turbíny a dle vládního zmocněnce pro jadernou energetiku Jána Štullera je jádro i nejvhodnější budoucí zdroj elektřiny pro ČR. Nové bloky by navíc měly být schopné regulace v rozmezí 100 – 30 % výkonu. Ohledně jaderných elektráren však Michael Ladwig informoval, že EU usiluje o oběhové hospodářštví a jaderný odpad s ní není v souladu. Je to další z důvodů, proč se s novými jadernými elektrárnami v tuto chvíli v Evropě nepočítá, resp. minimálně do doby, než se podaří vyřešit využití jaderného odpadu.