Kombinovaná výroba tepla a elektriny z drevnej biomasy

Jednou z technológií na dosahovanie cieľov energetickej politiky Európskej únie je kombinovaná výroba tepla a elektriny, v rámci ktorej sa v súčasnosti ako najperspektívnejší obnoviteľný zdroj energie na Slovensku javí drevná biomasa – dendromasa.

Význam energie ako základu všetkých procesov okolo nás výrazne rastie v nielen v politickej, ale aj celospoločenskej rovine, a to v celosvetovom meradle. Energia predstavuje jeden z najdôležitejších faktorov ovplyvňujúcich rozvoj spoločnosti. Do popredia sa preto začínajú dostávať otázky jej efektívnejšieho využívania a zdrojov. V rámci Európskej únie je jednou z hlavných priorít energetickej politiky zlepšenie energetickej účinnosti vzhľadom na životné prostredie, ekonomiku prevádzky a návratnosť investícií. Veľkú úlohu pritom zohráva využívanie obnoviteľných zdrojov energie ako domácich energetických zdrojov a v rámci nich stojí v popredí najmä biomasa.

Drevná biomasa na Slovensku
Celkový ročný potenciál drevnej biomasy – dendromasy vhodný na energetické využitie u nás predstavuje približne 75,6 PJ. Popri všeobecných prínosoch, ako sú úspora primárnych energetických zdrojov, zvýšenie bezpečnosti zásobovania energiou a zníženie produkcie znečisťujúcich látok, predstavuje nasadenie dendromasy ďaľšie výhody z hľadiska ochrany životného prostredia aj z celospoločenského hľadiska. K významným výhodám dendromasy ako zdroja energie (okrem obnoviteľnosti) patria nízky obsah síry (v porovnaní napríklad s hnedým uhlím), nízky obsah ťažkých kovov, malý podiel oxidu dusíka a skutočnosť, že pri spaľovaní dendromasy sa do ovzdušia uvoľňuje rovnaké množstvo oxidu uhličitého, ako si samotné rastliny tvoriace dendromasu počas svojho rastu z ovzdušia zobrali. Samozrejme, v praxi treba k tejto bilancii pripočítať emisie mechanizmov, ktoré sa využívajú pri pestovaní, zbere a doprave dendromasy.

Pestovanie dendromasy, napríklad aj v prípade pestovania rýchlorastúcich energetických drevín, sa môže stať lokálnou záležitosťou, organizovanou buď miestnou správou, alebo miestnymi organizáciami (poľnohospodárske družstvá, individuálne podnikateľské subjekty a pod.). Vytvára sa tak možnosť zvýšenia miestnej zamestnanosti pri pestovaní, ťažbe a spracovaní dendromasy a poskytnutia relatívne lacného paliva miestnemu trhu – individuálnym odberateľom, podnikateľským subjektom a miestnej samospráve.
Týmto spôsobom sa zminimalizuje dôležitá zložka ceny drevných štiepok, ktorú predstavujú náklady na dopravu.

Vysoko účinná kombinovaná výroba elektriny a tepla
Pri kombinovanej výrobe elektriny a tepla ide o technologický proces, pri ktorom v rámci jedného zariadenia prebieha súčasne výroba elektriny aj tepla – v tzv. kogeneračnej jednotke. V zmysle zákona č. 309/2009 Z. z. o podpore obnoviteľných zdrojov energie a vy­soko účinnej kombinovanej výroby sa pod technológiou kombinovanej výroby rozumie:

• spaľovacia turbína s kombinovaným cyklom,
• protitlaková parná turbína,
• kondenzačná parná turbína s odberom pary,
• spaľovacia turbína s regeneráciou tepla,
• spaľovací motor,
• mikroturbína,
• Stirlingov motor,
• palivový článok,
• organický Rankinov cyklus,
• iný typ technológie, prostredníctvom kto­rej sa zabezpečuje kombinovaná výroba.

V súčasnosti sa pri kombinovanej výrobe elektriny a tepla z dendromasy javí ako najperspektívnejšie riešenie využitie tzv. organického Rankinovho cyklu (ORC). Technológia ORC je založená na princípe uzatvoreného parného Rankinovho cyklu, s tým rozdielom, že namiesto vody sa používa organické pracovné médium – uhľovodíky radu izopentán, izooktán, toluén a silikónové oleje. Na dosiahnutie optimálneho režimu prevádzky zariadenia ORC je výber pracovného média veľmi dôležitý. Za najvýhodnejšie pracovné médium sa pri kogeneračných jednotkách ORC založených na spaľovaní dendromasy považuje práve silikónový olej, ktorý sa odparuje už pri nižšej teplote a umožňuje využitie pomalobežnej turbíny so zachovaním vysokej účinnosti aj pri nižších záťažiach.

Rozsah elektrických výkonov pri nasadení technológie ORC sa pohybuje približne od 300 do 3 000 kWel. ORC zariadenie je napojené na zdroj tepla – v príklade uvedenom ďalej na kotolňu na spaľovanie dendromasy s termoolejovým kotlom. Vstupná teplota termooleja ako tepelného média sa pohybuje štandardne okolo 300 °C.

Proces ORC pri kogeneračných jednotkách na dendromasu
Zariadenie ORC je z hľadiska technického zhotovenia založené na princípe turbogenerátora, zloženého štandardne z pohonnej jednotky – turbíny (parnej turbíny) – a z elektrického generátora (alternátora), pričom obidve tieto zariadenia sú prepojené spoločným hriadeľom. V celom zariadení sa v podstate premieňa tepelná energia na mechanickú a následne elektrickú. Pri bežnom zariadení ORC, v našom prípade napojenom na kotolňu na dendromasu, sa celý proces skladá z týchto krokov:
1.    Zdroj tepla (kotolňa na dendromasu) zohreje tepelné médium (termoolej) na vysokú teplotu okolo 300 °C.
2.    Horúci termoolej sa v uzavretom okruhu prečerpáva k modulu ORC. Pomocou neho sa v tomto module vyparuje organické pracovné médium (silikónový olej) v príslušnom výmenníkovom systéme (predohrievač a výparník).
3.    Organická para sa v turbíne rozpína a vyrába mechanickú energiu, ktorá sa ďalej prostredníctvom alternátora premieňa na elektrickú energiu.
4.    Organická para sa potom v uzavretom okruhu ochladí tekutinou (vodou) a následne kondenzuje. Voda sa pritom zo­hreje na približne 80 až 90 °C a ďalej sa využíva na vykurovanie alebo ako zdroj technologického tepla.
5.    Skondenzovaný silikónový olej sa prečerpá­va naspäť do regenerátora, čím sa uzavrie cyklus a celý proces sa môže začať znova.

Opísaný ORC má pritom veľmi veľkú celkovú energetickú mieru účinnosti – z celkovej tepelnej energie vstupujúcej do procesu sa približne 20 % premení na elektrickú energiu, asi 78 % na tepelnú energiu a zvyšné 2 % predstavujú tepelné straty cez tepelnú izoláciu, sálanie a straty v generátore elektrického prúdu.

Medzi zásadné výhody technológie ORC patria tieto vlastnosti:

• nižšie mechanické namáhanie turbíny pre nízku obvodovú rýchlosť,
• nízke otáčky turbíny, ktoré umožňujú pria­my pohon alternátora bez prevodovky,
• počas expanzie organickej pary absentuje vlhkosť, ktorá štandardne spôsobuje eróziu lopatiek turbíny,
• jednoduché uvedenie do prevádzky,
• veľká automatizácia prevádzky,
• jednoduchý proces údržby,
• nevyžaduje sa prítomnosť obsluhujúceho personálu,
• dlhá životnosť zariadenia – viac ako 20 rokov.

Kotolňa na spaľovanie dendromasy v systéme so zariadením ORC
Na príklade konkrétnej kotolne možno ukázať typické charakteristiky. Z hľadiska prevádzkového členenia sa štandardná kotolňa na dendromasu v systéme kogenerácie delí na tieto časti:

Skladovanie paliva v zásobníku paliva s vyprázdňovacím zariadením
Veľkosť zásobníka sa stanovuje podľa druhu a výkonu spaľovacieho zariadenia a v nadväznosti na logistiku dopĺňania paliva. Najčastejšie sa používajú vodorovné betónové zásobníky (bunkre), v hornej časti často doplnené o drevené steny z hranolov a s medzerami na lepšie dosúšanie – napríklad najčerstvejších štiepok v horných vrstvách.

Doprava paliva zo zásobníka do spaľovacieho zariadenia
Pri kogeneračných systémoch využívajúcich dendromasu ako palivo sa používajú dve možnosti technického riešenia. Buď sú to závitovkové dopravníky pri spaľovaní jemnejšej homogénnej frakcie (piliny, hobliny, jemné štiepky, drevný prach, drevné pelety a pod.), alebo sa pri hrubšej nehomogénnej frakcii, spaľovaní odpadu z lesnej výroby, kôry a podobne či pri nasadení technológie spaľovania na rošte využívajú výkonnejšie dopravné systémy, najčastejšie vybavené hydraulickým pohonom.

Spaľovacie zariadenie s tepelným výmenníkom
Predstavuje dve samostatné technologické časti, ktoré môžu byť nad sebou alebo vedľa seba (v prípade väčších zariadení z priestoro­vých dôvodov). Tepelný výmenník predstavuje vertikálny termoolejový kotol uložený na vlastnej oceľovej podpernej konštrukcii. V prípade riešenia „vedľa seba“ je tepelný výmenník spojený so spaľovacím zariadením robustným kanálom so samonosnou oceľovou konštrukciou, šamotovou výmurovkou a viacvrstvovou tepelnou izoláciou.

Odpopolňovacie zariadenie
V prípade kogeneračných systémov sa používa výlučne automatické odpopolňovacie zariadenie, ktoré pozostáva zo systému uzáverov, závitovkových dopravníkov a vymeniteľných kontajnerov

Spalinovody, spalinové ventilátory, odlučovacie zariadenie TZL, komín
Tieto zariadenia slúžia na odvod spalín do atmosféry a ich úpravu (odlúčenie tuhých znečisťujúcich látok (TZL)) pred samotným vypustením. Súčasťou tejto časti kotolne môžu byť aj ďalšie zariadenia, ako sú predohrievač spaľovacieho vzduchu, aditívne zariadenie na spaliny, kondenzačné zariadenia a pod. Odlučovacie zariadenie sa môže riešiť ako mechanický multicyklónový odlučovač, tkaninový filter, elektrofilter alebo ich kombinácia.

Záver
Kombinovaná výroba elektriny a tepla na báze využívania drevnej biomasy – dendromasy ako paliva do tepelného zdroja má hneď niekoľko výhod korešpondujúcich s celospoločenským a politickým trendom nielen na národnej úrovni, ale aj v rámci Európskej únie a v celosvetovom meradle. Pri úspore primárnych energetických zdrojov, diverzifikácii dodávok energie, a tým aj zvyšovaní bezpečnosti zásobovania energiou je nezanedbateľným aspektom zníženie nepriaznivých vplyvov na životné prostredie počas procesov získavania týchto foriem energie. Nasadením moderných technológií na spaľovanie dendromasy sa znižuje produkcia skleníkových plynov, najmä CO₂, znižuje sa produkcia znečisťujúcich látok v spalinách a palivo vo väčšine prípadov predstavuje odpadový produkt z miestnej výroby. V prípade nasadenia technológie ORC ide o proces premeny tepelnej energie na mechanickú a následne elektrickú v uzavretom okruhu bez priameho vplyvu na okolité prostredie. Pracovné médium primárneho okruhu je stabilné minimálne počas 20 rokov. Spoľahlivosť modulu ORC je veľmi veľká a životnosť primárnej jednotky je v prvom rade ovplyvnená životnosťou rotujúcich častí a tepelných plôch v primárnom okruhu.

Na druhej strane treba vyriešiť známe prekážky rozvoja kombinovanej výroby elektriny a tepla na Slovensku. Okrem silnej závislosti od dovozu predmetných technologických zariadení sú to najmä finančné prekážky – nedostatok vlastných finančných zdrojov, nedostatok prostriedkov v oblasti verejných financií, nedostatok garancií na pokrytie úverových zdrojov a vysoká návratnosť investovaných prostriedkov. Vzhľadom na úpravy v legislatíve a ich nepredvídateľnosť v časovom horizonte prevádzkovania zariadenia stúpa podnikateľské riziko nielen na úrovni výrobcu energie, ale aj na úrovni pestovateľa a spracovateľa dendromasy. Treba preto podporiť presadzovanie týchto technológií na Slovensku formou štátnych dotácií alebo inými nástrojmi motivačnej politiky tak, aby sa napĺňali ciele energetickej politiky na národnej úrovni a plnili záväzky voči Európskej únii.

Ing. Juraj Horský
Recenzoval: Ing. Ján Rajzinger, PhD.

Autor pôsobí v spoločnosti DIH, s. r. o., ktorá sa zameriava na inžiniersku a obchodnú činnosť v oblasti environmentálnych technológií.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.