Bioplynová stanice s kogenerační jednotkou pro dodávky elektřiny ve špičkách

Úvod

Velkou předností bioplynových stanic obecně je poměrně malá spotřeba dostupných obnovitelných vstupních surovin. K výrobě bioplynu lze využít celou řadu biologicky rozložitelných odpadů. Rovněž využitelnost výstupních produktů - elektřiny, tepla, hnojivého digestátu a i samotného bioplynu - je obecně dobrá. Při současné technické úrovni zařízení a řídicí techniky je provoz bioplynových stanic poměrně jednoduchý. Z toho důvodu může s úspěchem bioplynové stanice provozovat celá řada malých provozovatelů - jednotliví zemědělci, obce, čistírny odpadních vod, společnosti pro nakládání s odpady a další.

Na druhou stranu investiční náklady na výstavbu bioplynových stanic jsou poměrně vysoké. Doba návratnosti je v současných českých ekonomických podmínkách dlouhá, obvykle delší než 10 let. Bez významných dotací na výstavbu jsou bioplynové stanice obvyklých koncepcí v ČR pro investory málo atraktivní. Dlouhou dobu návratnosti lze však významně zkrátit.

Standardní řešení bioplynových stanic

Dosud byly bioplynové stanice dimenzovány obvykle na trvalý provoz s výkonem odpovídajícím výrobě bioplynu. Častá byla instalace dvou kogeneračních jednotek, aby v případě výpadku byla zachována alespoň částečná dodávka elektrické energie a tepla pro bioplynový reaktor.

Obrázek: Standardní uspořádání bioplynové stanice

Účinnost kogeneračních jednotek

Obvyklý rozsah výkonu kogeneračních jednotek bioplynových stanic se pohybuje v rozmezí stovek kW až jednotek MW. Měrné náklady na servis a opravy s rostoucím výkonem klesají. Elektrická účinnost kogeneračních jednotek se v uvedeném rozsahu s rostoucím výkonem zvyšuje, viz obrázek dole.

Obrázek: Kogenerační jednotky na bioplyn od různých výrobců. Závislost elektrické účinnosti na jmenovitém elektrickém výkonu.
U kogeneračních jednotek TEDOM je účinnost odhadnuta na základě spotřeby bioplynu, u ostatních výrobců se jedná o katalogové údaje.

Naproti tomu celková účinnost - součet elektrické a tepelné účinnosti - zůstává víceméně konstantní, viz obrázek dole. Z uvedeného důvodu je výhodnější instalovat jen jednu jednotku dimenzovanou na plný výkon odpovídající produkci bioplynu. To je v současnosti nejobvyklejší řešení kogeneračních jednotek na bioplyn.

Obrázek: Celková účinnost kogeneračních jednotek uvedených na předchozím obrázku

Bioplynová stanice s vysokým elektrickým výkonem

Kratší doby návratnosti investice celé bioplynové stanice lze dosáhnout změnou technického řešení a způsobu provozu kogenerační jednotky bioplynové stanice a navazujících zařízení. Změna spočívá v instalaci kogenerační jednotky vyššího výkonu a změně dimenzování, případně doplnění dalších zařízení bioplynové stanice. Samotná část výroby bioplynu zůstává stejná, jako u obvyklé koncepce bioplynových stanic.

Kogenerační jednotka je dimenzována na výkon 2x až 3x vyšší, než by odpovídalo trvalému provozu pro denní produkci bioplynu. Na základě dohody s odběratelem elektrické energie je kogenerační jednotka provozována na nominální výkon, avšak pouze 8 až 12 hodin denně, v době vysoké spotřeby elektřiny v elektrizační soustavě, viz obrázek dole.

Obrázek: Bioplynová stanice s kogenerační jednotkou pro špičkový provoz 8 až 12 hodin denně.

Životnost motoru kogenerační jednotky do generální opravy je obvykle udávána v rozmezí 6 až 8 let trvalého provozu. Životnost však závisí na počtu startů. Proto při provozu ve špičkách se životnost prodlouží méně, než by odpovídalo celkovému počtu provozních hodin.

Aby mohla být větší kogenerační jednotka provozována v energetických špičkách, musí být instalován dostatečně velký plynojem pro jímání bioplynu v době odstávky kogenerační jednotky. Rovněž příslušná potrubí bioplynu a další zařízení kogenerační jednotky musí být dimenzována na větší průtoky bioplynu. K vyvedení výkonu musí být instalován větší transformátor a odpovídající elektrické vedení. Vhodné je doplnit akumulátor tepla, aby bylo teplo k dispozici i v době odstávky kogenerační jednotky.

Takto dimenzované a provozované zařízení vyrobí ze stejného množství vstupních surovin, resp. ze stejného množství bioplynu, o několik procent více elektřiny. Přitom špičkovou elektřinu je možno prodat za vyšší cenu.

Cena špičkové elektřiny

Z ekonomických a technických důvodů je snaha všechny jaderné a většinu uhelných elektráren provozovat v režimu základního zatížení, aby po většinu času dodávaly do sítě nominální výkon. Na druhou stranu poptávka po elektřině je ve dne výrazně vyšší než v noci. Skutečnou poptávku nelze zjistit, spotřeba elektřiny je ovlivněna nastavením vysokých a nízkých tarifů. Přesto je spotřeba ve dne až dvojnásobná ve srovnání se spotřebou v noci.

Tomu odpovídá i rozdíl v ceně elektřiny základního zatížení a elektřiny špičkové. Podle údajů Energetické burzy Praha je cena špičkové elektřiny o 30 až 50 % vyšší než cena elektřiny v základním zatížení, viz obrázek dole. Z dlouhodobého hlediska se rozdíl mezi cenou špičkové elektřiny a elektřiiny základního zatížení zvyšuje.

Obrázek: Ceny elektřiny základního zatížení (vlevo) a elektřiny špičkové (vpravo).
Nahoře futures pro Q3/2009, dole futures pro rok 2010 (špičková - 3120 hodin ročně, tj. cca 8,5 hodin denně)

Další možnosti využití kogeneračních jednotek na bioplyn

Významné uplatnění mohou mít kogenerační jednotky při anaerobní stabilizaci odpadního kalu na čistírnách odpadních vod. Do čistíren odpadních vod je často přiveden i zemní plyn, který je využíván jako záložní palivo v plynových kotlích pro nutný ohřev kalu v případě, že vlastní produkce bioplynu na dostatečný ohřev nepostačuje.

Moderní plynové kogeneračních jednotky mohou spalovat podle potřeby jak bioplyn, tak zemní plyn. Mohou tedy být využívány v čistírnách odpadních vod jako zdroje elektrické energie pro dodávky elektřiny z bioplynu a nebo z kombinované výroby elektřiny a tepla ze zemního plynu. Současně mohou sloužit jako zdroj odpadního tepla pro termofilní stabilizaci a pro případné sušení stabilizovaného kalu před jeho použitím jako hnojiva a nebo před jeho spalováním.

S využitím kogeneračních jednotek na bioplyn a zemní plyn by prakticky všechny větší čistírny odpadních vod mohly svůj přebytečný kal takto využívat a upravovat ho termofilní anaerobní stabilizací na hygienicky nezávadné organické hnojivo (pokud by byly splněny další parametry kalu pro takové použití podle platné legislativy), a nebo na odvodněné a vysušené palivo (pokud by kal nebyl jako hnojivo použitelný).

Závěr

Ekonomické parametry bioplynové stanice s vysokým elektrickým výkonem jsou, až na výjimky, tak dobré, že jejich výstavbu je možné financovat i z komerčních úvěrů, bez dotací. Tím se i v ČR otevírá možnost podobného rozvoje výstavby a využití bioplynových stanic, jako je tomu v sousedním Německu. Tam byl koncem roku 2006 celkový elektrický výkon bioplynových stanic více než 1100 MW, v roce 2030 se očekává výkon až 9000 MW, a v současné době se rozvíjí i program dodávek bioplynu, upraveného na kvalitu zemního plynu, do německých plynovodů.

Pokud by byl obdobný plán na výstavbu bioplynových stanic aplikován na 5x menší území České republiky, znamenalo by to výstavbu bioplynových stanic obvyklé koncepce o celkovém elektrickém výkonu cca 1500 až 1800 MW a nebo výstavbu bioplynových stanic s vysokým elektrickým výkonem o celkovém elektrickém výkonu více než 3000 MW.

Pokud bychom v České republice dokázali do roku 2020 kopírovat celkový německý plán rozvoje bioplynových stanic alespoň z jedné třetiny, mohly by být v ČR do roku 2020 postaveny a provozovány bioplynové stanice obvyklé koncepce o celkovém elektrickém výkonu až cca 600 MW, a nebo bioplynové stanice s vysokým elektrickým výkonem o celkovém elektrickém výkonu až 1800 MW. Takové stanice by za rok vyrobily cca 5 200 GWh elektrické energie z celkem cca 47 PJ energie v celkově spotřebovaném bioplynu, což by odpovídalo v roce 2020 cca 2,6 % ze spotřeby prvotních zdrojů energie pro hrubou domácí spotřebu energie v ČR.

Pokud se podaří v rozsahu, pro který jsou v ČR vhodné podmínky, realizovat návrhy Skanska CZ na rekonstrukce stávajících výtopen na teplárny s paralelním spalováním zemního plynu a biomasy, a na výstavbu bioplynových stanic s vysokým elektrickým výkonem, pak spotřeba obnovitelných zdrojů energie ve formě spalitelné biomasy v rekonstruovaných teplárnách, a ve formě bioplynu v bioplynových stanicích s vysokým elektrickým výkonem, bude v roce 2020 cca 63 PJ za rok, tedy cca 3,5% z předpokládané celkové spotřeby primárních energetických zdrojů v ČR v roce 2020. A to je celá jedna polovina z požadovaného zvýšení spotřeby obnovitelných energetických zdrojů v ČR, uvedeného v návrhu Evropské komise pro dopravu a energetiku z 23. 1. 2008.

Literatura

Užitný vzor 18383 - Zařízení pro bioplynové stanice s vysokým elektrickým výkonem a vyšší ekonomickou efektivností
Výrobní programy vybraných výrobců kogeneračních jednotek
Energetická burza Praha. Dostupné na http://www.pxe.cz/Produkty/