Virtuální elektrárny s kogenerací

Po osamocených pokusech s využitím malých kogeneračních jednotek na zemní plyn se spojením zájmu plynáren, energetické společnosti LichtBlick a automobilky Volkswagen v Německu zrodil ambiciózní projekt virtuálně řízené sítě domácích mikroelektráren nabízených formou multiservisu. O přednostech i slabinách decentralizovaného zásobení energií a ještě zelenější energetiky se rozpoutává kontroverzní diskuze.

Cestou k mikrokogeneračním jednotkám

Předností kogenerace neboli technologie společné výroby elektřiny a tepla uskutečňované již léta ve velkých jednotkách je, že využitím odpadního tepla při výrobě elektřiny lze zvýšit účinnost využití primární energie paliv z obvyklých 40 % až na 90 %. Kogenerační jednotku tvoří generátor (alternátor) na výrobu elektřiny, poháněný spalovacím motorem nebo spalovací turbínou. Odpadní teplo získané ze spalin, ohřáté chladicí kapaliny a oleje motoru je pak využíváno pro vytápění, ohřev užitkové vody nebo klimatizaci, případně i pro technologické účely. Zatímco kogenerační jednotky s výkonem nad 150 kW slouží teplárnám a průmyslovým podnikům ve stálé zátěži, menší podnikatelské objekty, hotely, rekreační a zdravotnická zařízení (zejména s bazény vyžadujícími celoroční ohřev vody) uspokojují většinou minikogenerační jednotky s výkony pod touto hranicí. Horká novinka - mikrokogenerační jednotky s elektrickým výkonem kolem 2 až 10 kW_el a tepelným výkonem 30 až 50 kW_tep se od nich liší zejména tím, že jsou instalovány přímo v objektu (nejčastěji ve sklepě) a bezprostředně napojeny na elektrickou domovní síť a běžný topný systém se zásobníkem horké vody. Vzhledem ke kompaktnímu provedení a rozměrům se mohou stát předmětem hromadné výroby. V Německu jsou označovány jako μKWK (Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlage) nebo μBHKW (Blockheizkraftwerk), v anglické literatuře jako microCHP (Combined Heat and Power). Výrobci uvádějí, že mikrokogenerační jednotky na zemní plyn snižují emise CO₂ až o 60 %.

Vývoj mikrojednotek, které by jako zdroj tepla využívaly spalování pelet, bioplynu nebo odpadního tepla vysokoteplotních palivových článků, se ve světě teprve rozbíhá.

Jednotky s nekonvenčními motory

Německá firma OTAG od roku 2003 vyvíjí a nabízí 195 kg těžké jednotky Lion-Powerblock s kuriózním parním motorem s volně létajícími písty, s elektrickým výkonem 0,3-2 kW a tepelným výkonem 3 až 16 kW, doporučované pro rodinné dvoudomy nebo malé provozovny. Srdcem zařízení je tzv. linator (lineární generátor), který střídavým působením expandující páry o tlaku 30 bar na levý a pravý píst "létá" mezi krajními polohami 2 400-4 500krát za minutu. V cívce obklopující válec indukuje stejnosměrný proud, který je střídačem převáděn na běžný síťový kmitočet 50 Hz/230 V. Parní vyvíječ je vytápěn zemním plynem pomocí hořáku o výkonu 7 kW. Slabinou je zdlouhavý náběh zařízení kvůli nutnému předehřátí okruhů, které nelze zkrátit pod 3 až 5 minut.

(1) Parní mikrokogenerační jednotka OTAG s lineárním generátorem
o výkonu 1,5 kW_el a s tepelným výkonem 12 kW_tep

Na využití Stirlingova horkovzdušného motoru se čtyřmi písty v samostatných válcích vsadila britská společnost WhisperGen. Plynem ohřívaný vzduch uvádí do mechanicky vázaného pohybu řídicí a pracovní píst v každém válci a jejich ojnice převádějí vratný pohyb na otáčivý pohyb generátoru. Poměrně malá jednotka vyráběná španělskou firmou EHE, poskytující elektrický výkon téměř 2 kW a tepelný výkon 7 až 14 kW, stojí kolem 17 000 eur. Berlínský plynárenský koncern GASAG plánuje uvést do provozu do konce roku 2010 prvních 500 jednotek.

(2) Mikrokogenerační jednotka WhisperGen pro malý rodinný
dům se Stirlingovým motorem s celkovým výkonem 14 kW

Spalovací pístové motory jsou nejspolehlivější

Společnost SenerTec GmbH má více než desetileté zkušenosti s mikrokogeneračními jednotkami Dachs, které používají pomaluběžné spalovací čtyřtaktní motory o objemu 580 cm³ na zemní plyn, řepkový olej či bioplyn. Elektrický výkon se pohybuje kolem 5 kW, tepelný výkon podle druhu paliva je 10 až 15 kW. Vodou chlazený motor i alternátor a kondenzační výměník spalin umožňují dosažení účinnosti 88 až 98 %. Ve spolupráci s britskou firmou Baxi prodává ročně až 3 000 "dachsů". Při testu životnosti vydržely 80 tisíc hodin v chodu, což by automobilu vydalo na ujetí 5 milionů kilometrů!

Nejdále v technice kompaktních mikrokogeneračních jednotek je Honda. V Japonsku bylo od roku 2003 a v USA od roku 2007 instalováno více než 80 tisíc kompaktních mikrokogeneračních jednotek Ecowill s výkonem 1 kW_el a 2,8 kW_tep. Jednotka je kostí i vzhledem srovnatelná s pračkou, zdrojem energie je vodou chlazený jednoválcový čtyřtakt OHV na zemní plyn s objemem 163 cm3. Vzhledem k nízkému tepelnému výkonu se instaluje vždy spolu s plynem vytápěným kotlem. V optimálním vytížení dosahuje celková účinnost 85,5 %. Do roku 2011 počítá Honda s instalací až 250 000 jednotek v Japonsku a USA, na evropský trh vstupuje spolu s Vaillantem.

(3) Propagační panel mikrokogenerační jednotky Honda-Vaillant
s nástěnným kotlem s celkovým výkonem 4 kW

Stranou nestojí ani český průmysl. Společnost TEDOM v Třebíči se začala zabývat myšlenkou rozptýlené energetiky již v roce 2002, vývoj jednotek s výkony 7, 18 a 30 kW však rozběhla až roku 2006, kdy došlo k uvolnění trhu s energií a k výraznému pokroku v kapacitě a spolehlivosti datových okruhů a přenosů, bez nichž se virtuální elektrárny neobejdou. Podle internetových stránek začne v roce 2010 nabízet jednotky T 7, T 18 a T 30 v synchronním i asynchronním provedení na zemní plyn, LPG i bioplyn.

Ecopower s bonusem

Zásnuby německé společnosti PowerPlus s plynárenskou společností VNG a na trhu nástěnných kotlů nejúspěšnějším Vaillantem otevřely začátkem roku 2009 razantnější cestu k prosazení mikrokogeneračních jednotek do nové i starší městské zástavby. Experti Vaillantu vypracují pro zájemce komplexní nabídku s cenovými relacemi pro daný objekt i region se zjištěním všech možných dostupných státních a místních podpor a bonusů pro zelenou energii a doporučí pořízení jedné ze tří variant jednotek Ecopower. Jednotky používají vodou chlazený jednoválcový čtyřtaktní motor s objemem 270 cm³ s generátorem o výkonu 5 kW_el. Otáčky se (v rozmezí 1 700 až 3 600 min^-1) přizpůsobují aktuálně požadovanému poměru elektřiny a tepla. Pokryjí spotřebu od 1,3 do 4,7 kW_el, tepelný výkon je od 4 do 12,5 kW_tep. Hlučnost 56 dB(A) u 390 kg těžké jednotky je ve sklepích snesitelná. Jednotky jsou doporučovány pro roční úhrnnou spotřebu elektřiny a tepla kolem 25 MW.h. Návratnost investice s využitím vyhlášených podpor se pohybuje od 8 do 12 let.

(4) Testovací sestava mikrokogeneračních jednotek britské EC-Power

Ambiciózní projekt virtuální sítě EcoBlue^®

Hamburský energetický distributor Licht-Blick podepsal 9. září 2009 s vedením automobilky Volkswagen (VW) dohodu o společném budování virtuálně řízené sítě až 100 000 mikrokogeneračních jednotek EcoBlue^® a nabídl zájemcům mimořádně lákavé podmínky.

(5) První z tisíců objednaných domácích mikrokogeneračních jednotek
EcoBlue se začnou instalovat v Hamburku na jaře 2010

Za startovní jednorázový poplatek 5 000 eur nahradí technici LichtBlicku starý kotel minielektrárnou EcoBlue s vodou chlazeným automobilovým čtyřválcem VW na zemní plyn, zásobníkem na horkou vodu a přípojkou do elektrické sítě. Jednotka bude dálkově řízena a kontrolována prostřednictvím GPS operátory LichtBlicku, který převezme kompletní servis. Zákazníkovi bude bez ohledu na spotřebu plynu účtován paušál 20 eur měsíčně, k jeho dobru bude LichtBlick proplácet měsíčně 5 eur za pronájem sklepa a bonus 0,5 centu za každou kilowatthodinu přepuštěnou do veřejné elektrické sítě. Není divu, že do měsíce po vyhlášení (s lákavou reklamou v tisku) se přihlásilo 3 500 prvních zájemců, kterým obě společnosti s uznávaným renomé poskytly ujištění, že se jim investice zaplatí úsporami na teple a elektřině během 3 až 4 let. Závod VW v Salzgitteru začal s přípravou velkosériové výroby jednotek, v nichž uplatnil osvědčený automobilový čtyřválec VW CNG 2.0 (objem 2 000 cm³) z automobilů Volkswagen Touran. Vodou chlazený motor nastavený na 1 530 ot.min^-1 pohání vodou chlazený asynchronní generátor s výkonem 20 kW/50 Hz. To vše s výměníky tepla, oběhovým čerpadlem a katalyzátorem je vestavěno ve skříni rozměru 117 x 840 x 117 cm s celkovou hmotností 910 kg. Vzhledem k pomalým otáčkám agregátu nenaměřili komisaři při testování ve vzdálenosti 1 m od skříně větší hlučnost než 50 dB(A). K agregátu se připojuje podle výběru zásobníkový akumulátor ohřáté vody s objemem 800 nebo 1 000 litrů. Elektrický výkon dosahuje 20 kW_el, tepelný výkon 35 kW_tep. Utopicky znějící plány společnosti LichtBlick počítají s instalací až 100 tisíc jednotek ZuhauseKraftwerk, takže jejich maximální výkon by mohl nahradit dva 1 000MW jaderné bloky.

Problémy s novou komoditou

Optimisticky laděný superprojekt společnosti LichtBlick přicházející v době naléhavé reorganizace centralizovaných elektrorozvodných sítí, do kterých drasticky přibývají nepravidelné elektrické výkony tisíců větrných a solárních zdrojů, vyvolal okamžitou reakci odborníků, zejména z elektroenergetických a distribučních koncernů ohrožených plynárenskou konkurencí. Agregátům EcoBlue vyčítají až čtyřnásobně vyšší produkci tepla, než jakou v topném období dnes potřebují tepelněizolované standardní rodinné domky, pro které jsou určeny. Téměř polovinu roku v letním období bude s výjimkou ohřevu užitkové vody nutné kvůli nepotřebnému tepelnému výkonu jednotky dálkově zastavovat, což změní optimistické kalkulace a sníží slibované bonusy. Jisté je i to, že zamýšlená decentralizovaná energetika si navíc vyžádá obrovské investice do vybudování inteligentní přenosové a distribuční sítě a jejího řízení, kterou nástup větrných, solárních a nejnověji i kogeneračních jednotek nárokuje.