Ekologické Parní Kogenerační Jednotky: Princip Fungování a Výhody

Čistý, ekologický a dlouhodobě udržitelný zdroj energie. Slovní spojení, které v posledních dekádách rezonuje v oblasti energetiky asi nejvíce. Vedle stále se zvyšujících nároků lidstva na poptávku po energii je vývoj ekologicky čistých technologií nezbytností.

Kogenerace: Společná Výroba Tepla a Elektrické Energie

Kogenerace je sdružená výroba tepla a elektrické energie. Slovo kogenerace pochází z anglického co-generation a znamená společnou výrobu elektřiny a tepla. Principem kogenerace, tj. kombinované výroby tepla a elektrické energie, je toto teplo využít a zvýšit tak účinnost využití paliv.

Doposud běžná výroba elektřiny a tepla probíhá odděleně. Teplo vznikající při klasické kondenzační výrobě elektrické energie přichází obvykle nazmar a je vypouštěno do ovzduší. V teplárnách a jiných kogeneračních zařízeních, kde se teplo vyrábí společně s elektřinou, je spotřeba paliv na jednotku vyrobené energie nižší. Tím také dochází k minimalizaci ztrát při distribuci energie.

Spotřeba tepla klesá na minimum. Kogenerace je vhodná všude tam, kde jsou vysoké nároky na odběr tepla. V kombinované výrobě je toto teplo možno účelně využít například k vytápění budov nebo ohřevu vody. Zdroj energie je tak využit dvakrát, a účinnost zařízení je tak podstatně vyšší. V případě potřeby je možné vyrábět kromě elektrické energie a tepla i chlad. V případě jde o trigeneraci. U triginerace je kogenerační jednotka doplněna o chladicí jednotku absorpčního typu.

Princip Fungování Kogenerační Jednotky

Základ každé kogenerační jednotky tvoří soustrojí motor-generátor. Základ každé kogenerační jednotky tvoří soustrojí motor-generátor. Běžné kogenerační jednotky mají obvykle relativně malý výkon, desítky až stovky kW elektrického výkonu. Jejich základní částí je obvykle pístový spalovací motor, který pohání generátor proudu. Palivem je nejčastěji zemní plyn, někdy bioplyn nebo skládkový plyn.

Čtěte také: České supermarkety a bio

Kogenerační jednotka se spalovacím motorem se skládá ze zážehového spalovacího motoru, který pohání generátor vyrábějící elektřinu, a z výměníků pro využití odpadního tepla z motoru. Odpadní teplo z motoru je odváděno pomocí dvou výměníků na dvou teplotních úrovních. První výměník odvádí teplo z bloku motoru a z oleje na úrovni cca 80-90 °C. Druhý výměník odvádí teplo z odcházejících výfukových spalin o teplotě cca 400-500 °C. Výměníky jsou z hlediska průtoku teplonosného média zapojeny do série.

Obvykle jsou kogenerační jednotky koncipovány pro dodávku tepla do teplovodního systému 90/70 °C, méně již do systému 110/85 °C resp. 130/90 °C. Kogenerační jednotky se zážehovými spalovacími motory se dodávají o el. výkonech v rozsahu od cca 20 kW do 5000 kW.

Různé Provedení Kogeneračních Jednotek

• Kogenerační jednotka se spalovací turbínou: se skládá ze soustrojí spalovací turbína-generátor vyrábějícího elektřinu a ze spalinového kotle. Spaliny z turbíny jsou přiváděny do spalinového kotle k výrobě tepla ve formě páry nebo horké resp. teplé vody.
• Parní kombinovaná výroba elektřiny a tepla: se provádí prostřednictvím páry vyrobené v parním kotli pomocí fosilních či nefosilních paliv (např. hnědé uhlí, biomasa). Pára se přivádí do parního motoru, protitlaké nebo kondenzační odběrové parní turbíny, kterými se pohání generátor elektrické energie.
• Paroplynová kombinovaná výroba elektřiny a tepla: je snahou o maximální podíl výroby elektřiny, což je zajištěno kombinací dvou turbosoustrojí se spalovací a parní turbínou. Pára, která se vyrábí ve spalinovém kotli s využitím odpadního tepla ze spalovací turbíny, pohání soustrojí s parní turbínou.

Výhody Kogenerace

• Šetří palivo i finanční prostředky potřebné na jeho nákup.
• Snižuje náročnost energetiky, tak i globální množství emisí.
• Kogeneraci lze velmi dobře využít ke zvýšení efektivity malých zdrojů a k decentralizaci výroby elektřiny, která s sebou nese také snížení ztrát v elektrorozvodné síti a vyšší bezpečnost dodávek.

Pokud nastane tzv. Black-out, může kogenerace fungovat jako záložní zdroj zajišťující dodávku elektřiny. Velký průmysl a jsou tedy pokládány za čisté. Kogenerace je vhodná všude tam, kde jsou vysoké nároky na odběr tepla a tím uspořit finanční prostředky. Energie (např. Vždy ale záleží na technicko-ekonomickém vyhodnocení podmínek jednotlivých instalací.

Kogenerační jednotky mohou využít až 95 % dodaného paliva a přeměnit ho efektivně na elektrickou energii a teplo. Z technického hlediska lze kogenerační jednotkou nahradit jakýkoli zdroj tepla (kotel) srovnatelného výkonu. Aby však byla instalace kogenerační jednotky ekonomicky výhodná, je potřeba, aby během roku běžela co nejvíce hodin. Proto bude pracovat nejefektivněji tam, kde je celoročně stálý odběr tepla.

Vyrobenou elektřinu je možno spotřebovat přímo v objektu nebo ji prodat do sítě. Tam, kde má kogenerační jednotka doplnit nebo nahradit stávající zdroj tepla (kotel), bývá rozhodujícím parametrem snížení nákladů na energie díky krytí vlastní spotřeby elektřiny. Při tom je nutné mít odbyt na vyrobené teplo, neboť je ho výrazně více, než elektrické energie. V opačném případě se jednotka nevyplatí.

Čtěte také: Jak podporovat projekty

Kogenerační Jednotky s Palivovými Články

Výrobu elektrické energie pomocí elektrochemických palivových článků můžeme zařadit mezi alternativní a ekologické zdroje energie. Jak již bylo zmíněno, palivový článek potřebuje pro svůj provoz okysličovadlo a palivo. Jako okysličovadlo je používán kyslík obsažený ve vzduchu. Pro daný účel je v kogenerační jednotce umístěn tzv. reformer. Reakcí vzdušného kyslíku a palivového vodíku je generován stejnosměrný proud, který je v měniči transformován na střídavý.

Výhody Technologie Palivových Článků

• Jelikož palivový článek nepotřebuje žádné pohyblivé součástky, chod je velmi tichý.
• Výborná regulovatelnost a přizpůsobení dynamickému zatížení.
• Kompaktnost a malé rozměry umožňují použití v rodinných domech.

Kombinovaná výroba elektřiny a tepla palivovými články je založena na principu chemické reakce plynu s okysličovadlem v tzv. palivovém článku tvořeném vhodnými elektrodami a elektrolytem. Palivo a okysličovadlo se na katalytickém povrchu elektrod ionizují, ionty jsou vedeny elektrolytem k druhé elektrodě a uvolněné elektrony vytvářejí elektrický proud.

Organický Rankinův Cyklus (ORC)

Hlavním účelem tohoto článku je popis kogenerační jednotky založené na principu organického Rankinova cyklu (dále jen ORC) pro využití v bytových domech. Zařízení, která k výrobě elektrické nebo tepelné energie využívají OZE, přispívají dílem jak ke snížení energetické závislosti na spalování fosilních paliv, tak ke zlepšení životního prostředí a v neposlední řadě také k decentralizaci energetiky, ke které lidstvo v rámci zvýšení soběstačnosti směřuje.

Organický Rankinův cyklus (dále ORC) je velmi podobný Rankin-Clausiovu cyklu, který běžně využívají konvenční tepelné elektrárny. Sytá pára vstupuje do expanzního stroje, kde se část její tepelné energie mění na mechanickou energii a v generátoru na elektrickou energii. Část tepla přehřáté páry se využívá v rekuperačním výměníku k tzv. regeneraci. Ochlazené páry vstupují následně do kondenzátoru, kde se odvádí teplo z cyklu. U mikro-kogeneračního zařízení se předpokládá využití tohoto tepla k vytápění objektů.

Na rozdíl od běžného parního Rankin-Clausiova cyklu používá ORC jako pracovní látku organickou sloučeninu (např. uhlovodíky, fluorovodíky, silikonové oleje). Oproti vodě mají tyto látky nevýhody, jako je agresivita vůči konstrukčním materiálům, takže konstrukce musí být z kvalitních materiálů, jako je korozivzdorná ocel, fluorový kaučuk, teflon atd. Nicméně jejich výhody náročnou konstrukci zařízení často kompenzují.

Čtěte také: Dávkování lignohumátu v ekologickém zemědělství

Jako modelový dům se pro účely této práce bude posuzovat osmipodlažní dům, který je výškově osazen v úrovni 1. nadzemního podlaží. Objekt obsahuje 32 bytových jednotek, kde v typickém podlaží jsou 3 byty o rozloze 63,5 m2 a 1 byt o rozloze 72 m2, přičemž konstrukční výška podlaží je 2,8 m. Celková tepelná ztráta objektu činí ΦT = 127 kW, celková roční potřeba tepla na vytápění tvoří QH = 193 MWh/rok, potřeba tepla na přípravu teplé vody (dále TV) činí 79 MWh/rok a potřeba elektrické energie pak 73 MWh/rok.

ORC jednotka je navržena tak, aby výroba tepla pokryla potřeby na vytápění a přípravu TV v modelovém objektu. Tato ORC jednotka používá jako palivo dřevní štěpku. Provoz této jednotky je volen tak, aby v zimním období byla jednotka v provozu 24 hodin, pro přechodová období byl navržen provoz na 16 hodin a v letním období 8 hodin, kdy její výkon je stanoven na 44 kW a maximální výkon špičkového kotle 63 kW.

Ekonomická Efektivita

Kogenerační jednotka spotřebuje na výrobu jedné kWh elektřiny zemní plyn v ceně cca 2,30 až 3,80 Kč. Servisní náklady jsou cca 0,40 až 0,60 Kč/kWh vyrobené elektřiny. Je-li cena elektřiny ze sítě vyšší než 4 Kč/kWh, může být výhodné provozovat kogenerační jednotku pro krytí vlastní potřeby a teplo navíc je "zdarma". Větším odběratelům elektřiny, kteří platí za připojený elektrický příkon a špičkový odběr, může kogenerační jednotka tyto platby výrazně snížit.

Instalování kogenerační jednotky v bytovém komplexu, na kterém bylo provedeno zhodnocení energetické náročnosti (potřeb elektrické a tepelné energie), může z hlediska dlouhodobého používání této jednotky uspořit poměrně vysokou částku peněz. Používání kogenerační jednotky může výrazně přispět k současnému trendu zvyšování podílu obnovitelných zdrojů v energetickém mixu a zároveň ke snížení využívání uhlí jako paliva pro malé lokální výtopny a domácnosti, a tak obecně ke snížení emisí.

Stirlingův Motor a Kogenerace

Stirlingův motor je v současnosti díky svým vlastnostem využíván při kogeneraci neboli při kombinované výrobě tepla a elektrické energie. Stirlingův motor využívá horké spaliny kotle. Pracovní plyn (dusík, helium) uzavřený v motoru se zahřátím rozpíná, tlačí na píst a vyvolává přes klikovou hřídel otáčivý pohyb. Prostřednictvím generátoru je tímto pohybem získáván elektrický proud.

Největší výhodou motoru je to, že může pracovat s nejrůznějšími zdroji vnější tepelné energie (geotermální, solární, fosilní paliva, biomasa). Externí spalování chrání vnitřní součásti Stirlingova motoru proti kontaminaci spalinami a nedochází tak k jejich nadměrnému opotřebení. Při vhodné volbě paliva je velice ekologický. V porovnání s konvenčními plynovými motory jsou u Stirlingova motoru hodnoty emisí CO a NOx zcela minimální a dalece předbíhají i ty nejpřísnější současné limity.

Využití Trigenerace

V případě potřeby je možné vyrábět kromě elektrické energie a tepla i chlad. V případě jde o trigeneraci. U triginerace je kogenerační jednotka doplněna o chladicí jednotku absorpčního typu. Trigenerace představuje kombinovanou výrobu elektřiny, tepla a chladu. Trigenerace může být využita všude tam, kde je zapotřebí klimatizace nebo výroba technologického chladu.

Dálkové Chlazení

Pojmem dálkové chlazení označujeme centralizovanou produkci a distribuci chladu. V případě centralizované produkce chladu je v místě energetické centrály instalována chladicí stanice, která může využít tepelné energie o vyšší teplotě v porovnání s koncovými větvemi dálkového rozvodu tepla. Další možností realizace dálkového chlazení je použití lokálních absorpčních chladicích stanic napojených na rozvod dálkového zásobování teplem.

Ekologický Dopad

V teplárnách a jiných kogeneračních zařízeních, kde se teplo vyrábí společně s elektřinou, je spotřeba paliv na jednotku vyrobené energie nižší. Tomu odpovídá i snížení emisí škodlivin v globálním měřítku. Vzhledem k tomu, že kogenerační jednotka se v podstatě zaplatí tím, že sníží množství energie odebírané ze sítě, je třeba zohlednit také spotřebu elektrické energie v budově. Kogenerační jednotka je mimořádně šetrná k životnímu prostředí: kromě úspory primární energie až o 36 % jsou emise CO₂ ve srovnání s konvenční výrobou elektřiny a tepla výrazně nižší.

Tabulka: Základní Parametry Jednotlivých Typů Kombinované Výroby Elektřiny a Tepla

tags: #ekologicke #parni #kogeneracni #jednotky #princip #fungovani

Oblíbené příspěvky:

• Udržitelná budoucnost skrze ekologické zemědělství
• Znečištění ovzduší
• Pravidla třídění odpadu
• Křeček v přírodě
• Tipy na dovolenou v ČR