Mikrokogenerace z biomasy jako prostředek k úsporám primárních energií a CO₂

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. 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).

Přečtěte si také Budoucnost průmyslu: Umělá inteligence přináší nové příležitosti Přečíst článek

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.

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.

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.