Kouzlo kogenerace ve sladovnách: „Elektřinu si nechte, ušetříme.“

Sladovnám Soufflet ČR a.s. v Nymburce od roku 2014 pomáhá se sušením sladu plynová kogenerační jednotka, kterou instalovala na své náklady a provozuje společnost ČEZ Energo. Kogenerace vyrábí elektřinu a teplo s vyšší účinností, než kdyby se vyráběly obě komodity zvlášť. Sladovnám proto využívání kogenerace přináší úsporu energie a s ní spojenou úsporu finanční. Místní podmínky však umožňují obchodní model, kdy je pro sladovny výhodnější neodebírat z kogenerace elektřinu. Tu využívá ČEZ Energo k prodeji do sítě.

Výroba sladu zároveň vyžaduje specifické nastavení kogenerační jednotky a její doplnění o další technologie, které zvyšují účinnost celého procesu. Výsledkem je velmi zajímavá instalace jak po technické, tak po obchodní stránce.

Výroba sladu a spotřeba tepla

Proces výroby sladu zahrnuje máčení, klíčení a sušení, tzv. hvozdění zrn ječmene. Celý proces probíhá neustále, sladovny až na několik dnů plánovaných odstávek jedou nonstop celý rok. Nová šarže se namáčí každých 16 hodin a obnáší 240 tun ječmene.

Největší množství tepla je potřeba v závěrečné fázi během hvozdění. Tehdy se celá šarže vysouší horkým vzduchem, aby se snížila vlhkost zrn ze 42 % na zhruba 4 %. Aby měl slad požadovanou kvalitu, musí sušení 240 tun ječmene proběhnout relativně rychle, během 24 hodin.

Pro efektivnější sušení využívají sladovny tandemový hvozd, tedy dva sušící rošty nad sebou. Horní šarže je ve fázi volného sušení, spodní v takzvaném dotahování. Výhoda je, že vzduch ze spodního hvozdu obsahuje velmi málo vlhkosti a lze ho tak použít na sušení vlhkého sladu v hvozdu horním.

Hlavní zdroj tepla pro sušení sladu tvoří dva velké plynové hořáky a k nim menší předhořák pro chladné dny. A právě zde dochází k symbióze s ČEZ Energo. Kogenerační jednotka dodává na hvozd teplo, čímž umožňuje výrazně omezit provoz plynového předhořáku.

Výroba tepla a elektřiny

Dodávka tepla vypadá tak, že kogenerační jednotky ohřejí vodu, která je nosičem tepla. Ohřátá voda pak putuje zhruba dvousetmetrovým potrubím na hvozd, kde ve výměníku předá teplo vzduchu na sušení sladu. Zchlazená se vrací zpět ke kogenerační jednotce, kde se před vstupem do motoru pro zvýšení účinnosti předehřívá teplem z technologického okruhu (turbodmychadla) a VZT prostřednictvím tepelných čerpadel. Aby tohle všechno mohlo proběhnout a spalovaný plyn se využil s nejvyšším přínosem, je potřeba soubor technologií.

Kogenerační jednotky se čtyřmi způsoby získávání tepla

Instalace zahrnuje dva kontejnery s kogeneračními jednotkami Tedom Quanto D2000. Jedná se o dvacetiválcové motory na zemní plyn s dvojím přeplňováním o výkonu 2×2 MW elektrické a 2×2,4 MW tepelné. K nim dále patří velká akumulační nádrž, kontejner tepelných čerpadel, technologický kontejner a trafostanice.

Plynový motor kogenerační jednotky Tedom Quanto s dvojím přeplňováním.

Místní kogenerace získává teplo čtyřmi způsoby:

1. Teplo z bloku motoru přes výměník ohřívá vodu, která putuje buď rovnou na hvozd a nebo do akumulační nádrže.
2. Spaliny z motoru prochází dvěma výměníky. První slouží rovněž pro ohřev vody na vytápění hvozdu, druhý se používá pro předehřívání vody, která se z hvozdu vrací.
3. Dvojice turbodmychadel v každém motoru stlačuje palivovou směs. Teplo z tohoto procesu je odváděno do kontejneru tepelných čerpadel a používá se rovněž k předehřívání ochlazené vody z hvozdu.
4. Teplo vysálané z motoru zpracovává vzduchotechnika na každém kontejneru a je také využito tepelnými čerpadly pro předehřev vody do motoru.

Velká akumulační nádrž

V pokročilé fázi hvozdění už není potřeba tolik tepla. Pokud sladovny nevyužijí teplo z kogenerace okamžitě, nahřívají motory vodu v akumulační nádrži o objemu 200 m³. Odtud sladovny teplo odeberou v nejbližších hodinách, až se začne sušit nová šarže.

Kontejner s kaskádou tepelných čerpadel

V kontejneru najdeme celkem 18 tepelných čerpadel o celkovém výkonu 689 kW postavených do dvou kaskád, pro každou kogenerační jednotku jedna. Úkolem tepelných čerpadel je předehřívat vodu, která proudí z hvozdu zpět ke kogeneračním jednotkám, a tím zvýšit tepelnou účinnost kogeneračního soustrojí. Teplo získávají čerpadla z chlazení palivové směsi za turbodmychadel a vzduchotechnik obou kogeneračních jednotek. Toto tzv. nízkopotenciální teplo standartně u kogeneračních jednotek nebývá využito a je mařeno na technologickém chladiči.

Kontejner tepelných čerpadel.

Čerpadla, hlídání tlaku a řízení

V technologickém kontejneru jsou umístěna související zařízení pro vytápění hvozdu. V topném okruhu obíhá zhruba 250 kubíků vody. Tu je potřeba dopravit na hvozd, případně do akumulační nádrže a zpátky ke kogeneračním jednotkám. K tomu slouží velké oběhové čerpadlo schopné přenést tepelný výkon 6 MW nebo přes 100 kubíků vody za hodinu.

K teplu vyrobeném kogenerační jednotkou se dále přimíchává teplo získané klíčením sladu, které je přiváděno menším oběhovým čerpadlem. V tomto případě se nejedná o zařízení ČEZ Energo, ale patří sladovnám. Teplo z klíčírny je měřeno a zohledněno v celkové účetní bilanci.

Kontejner technologií obsahuje čerpadla, vyrovnávací zařízení s akumulační nádrží a řídicí systém.

Dále je nutné se u takového množství vody vypořádat se změnou objemu během zahřívání. K tomu slouží vyrovnávací zařízení, které hlídá tlak v potrubí a podle potřeby přepouští, případně čerpá vodu z expanzní nádrže o objemu 8 m³.

A nakonec je v technologickém kontejneru počítač, který celý proces sleduje, měří a řídí. Odtud také může obsluha vše zkontrolovat a případně nastavit.

Trafostanice

Kogenerační jednotky pracují na nízkém napětí 400 voltů. Aby se mohla elektřina posílat do sítě, má každá jednotka vlastní trafostanici, kde se napětí zvýší na 22 kV. Poté se proud sdruží, změří a prodá do sítě.

Ekonomika provozu: teplo sladovnám, elektřinu do sítě

Pokud se plyn spálí v hořácích na hvozdu, vyrobí se z něj jen teplo. Pokud se tentýž plyn spálí v kogenerační jednotce, vyrobí se z něj teplo i elektřina, kogenerační jednotka tedy pracuje s vyšší účinností. Podle ročního období kogenerace pokrývá 20–40 % tepla, které sladovny potřebují na hvozdění, což je významná úspora. Jak už ale víme, elektřina z nymburské kogenerační jednotky se prodává do sítě a sladovny vykupují jen teplo. Proč? V čem je tento způsob výhodnější, než kdyby sladovny spotřebovaly i elektřinu?

Kogenerační jednotka ČEZ Energo, na pozadí je patrná 200m3 akumulační nádrž.

Za prvé mají sladovny výrazně vyšší spotřebu tepla, než elektřiny. U takto výkonné kogenerace by sice sladovny byly schopny spotřebovat veškeré teplo, ale nezvládly by plně využít všechnu vyrobenou elektřinu. Musela by se tak instalovat menší jednotka, což by byla škoda – snížilo by se tím množství dostupného tepla vyrobeného s vysokou účinností.

Za druhé, z hlediska provozu kogenerační jednotky mají sladovny oproti klasické soustavě zásobování teplem jednu podstatnou výhodu – zvládnou v každou denní dobu upotřebit veškerou výrobu tepla, a to celoročně bez sezónních výkyvů. ČEZ Energo tak může plánovat provoz kogenerační jednotky zcela podle potřeb elektrické sítě a obchodníka s elektřinou. A když síť elektřinu potřebuje, znamená to, že je i vyšší cena elektřiny. Plyn je tak použit na výrobu elektřiny v době, kdy je to nejvýhodnější. Jiří Boháč, ředitel sladovny Nymburk shrnul tuto spolupráci slovy: „ČEZ Energo se snaží co nejvýhodněji využít elektřinu, sladovny usilují o co nejlepší využití tepla. Každý se soustředíme na to, co umíme nejlépe a ve výsledku je to výhodné pro obě strany.“