Lokálne zdroje ako budúcnosť energetiky

Článok sa zaoberá porovnaním súčasnej energetiky, postavenej primárne na veľkých centrálnych zdrojoch, a možnej budúcnosti, keď sa bude výroba elektriny a tepla riešiť pomocou malých zdrojov na biomasu, inštalovaných priamo v miestach spotreby energie.

Obnoviteľné zdroje energie evokujú udržateľnosť už svojím názvom. Z toho však jednoznačne nevyplýva, že sú tieto zdroje automaticky prínosné a možno nimi vyriešiť všetky problémy, s ktorými dnes energetika musí pracovať. Využitie niektorých z nich, najmä slnečnej energie v rámci fotovoltiky či veternej energie, je veľmi zložito regulovateľné a spôsobuje nestabilitu celej elektrickej siete.

Vodné elektrárne dosahujú v podmienkach Českej republiky svoje maximálne kapacity, využitie biomasy naráža zase na pomerne vysokú cenu a takisto na jej nedostupnosť. Treba tak povedať, že hoci má využitie obnoviteľných zdrojov energie určite veľa výhod, malo by sa k nemu pristupovať racionálne. Tento článok si kladie za cieľ opísať riešenie, ktoré vedie k efektívnemu využitiu biomasy tak, aby bolo ekonomickým aj ekologickým prínosom.

Aj keď sa v médiách objavuje stále viac informácií o alternatívnych spôsoboch získavania energie, drvivá väčšina sa stále produkuje veľkými centrálnymi elektrárňami, ktoré spotrebovávajú fosílne palivá. V podmienkach Českej republiky, na ktorú sa v článku zameriavame, ide predovšetkým o hnedé uhlie, na ktorom stojí 40 % produkcie elektriny v tejto krajine.

Výrobcovia veľkých elektrárenských blokov sa neustále snažia o zvyšovanie účinnosti výroby elektriny – navýšenie účinnosti čo i len o desatinu percentného bodu znamená totiž pri takých veľkých spotrebách palív obrovskú úsporu. Aj tie najmodernejšie elektrárne však dosahujú v súčasnosti maximálne účinnosti na úrovni 40 %.

Tepelné elektrárne sú založené na princípe Rankinovho cyklu, pričom fyzikálne nie je možné využiť všetku energiu, väčšina sa musí vypustiť do ovzdušia vo forme tepla. A práve toto teplo možno teoreticky využiť na vykurovanie. Elektrárenské prevádzky sa však logicky umiestňujú čo najďalej od obývaných území, lenže doprava tepla na veľkú vzdialenosť je značne nevýhodná.

Ako vhodný variant by sa mohli javiť teplárne, ktoré pracujú na rozdiel od systémových elektrární v tzv. kombinovanom režime výroby elektriny a tepla. To znamená, že sú schopné využiť aj tepelnú energiu, ktorá by sa inak vypustila do ovzdušia. Takéto teplárenské prevádzky dosahujú aj rádovo nižšie výkony a možno ich teda umiestňovať priamo do obývaných oblastí.

Teplárenstvo zaznamenalo veľký rozmach najmä v 60. rokoch 20. storočia, keď bol postavený celý rad teplární, pričom väčšina z nich je v prevádzke dodnes. Niektoré prešli významnou rekonštrukciou, mnoho z nich však na obnovu stále čaká.

Investície do nových technológií sa však logicky musia premietnuť do ceny tepla, ktorá je vo väčšine prípadov už taká vysoká, že sa dá porovnávať s cenou výroby tepla lokálne v plynových kotloch. Rad odberateľov sa preto odpája a rieši zásobovanie teplom z vlastnej kotolne.
Veľkým strašiakom pre teplárne je rok 2018, keď začnú platiť prísne emisné limity, ktoré rad z nich nezvládne plniť, takže budú musieť ukončiť svoju prevádzku.

Kombinovaná výroba elektriny a tepla je však stále najefektívnejším spôsobom využitia paliva. Budúcnosť využitia uhlia ako paliva je značne neistá (ťažobné limity, legislatívne obmedzenie z hľadiska nadmernej produkcie emisií a pod.), preto sa do popredia záujmu dostáva stále viac biomasa.

Teoreticky je výroba energie z biomasy k životnému prostrediu neutrálna. Možno tvrdiť, že pri jej raste sa spotrebúva rovnaké množstvo oxidu uhličitého ako pri jej spálení. Biomasu však treba najskôr spracovať a najmä dopraviť na miesto spotreby, pričom dopravné prostriedky využívajú fosílne palivá. Environmentálne prínosy biomasy sú tak pomerne relatívne, klesajú so vzdialenosťou, na akú je ich nevyhnutné prepravovať z miesta produkcie do miesta spotreby. Doprava na dlhšie vzdialenosti je nevýhodná aj z ekonomického hľadiska.

V ideálnom prípade by sa teda biomasa využívala v lokálnom meradle na kombinovanú výrobu elektriny a tepla (KVET). To však znamená nevyhnutnosť existencie technológie na dostatočne nízkych výkonových hladinách, ktorú by bolo možné nasadiť aj do aplikácií s relatívne nízkou potrebou energie, ako sú menšie samostatné mestá, obce, väčšie obytné budovy, budovy sociálneho zabezpečenia, malé sústavy centralizovaného zásobovania teplom (CZT) a pod.

Mikroelektráreň WAVE

Zariadenie WAVE pracuje na princípe organického Rankinovho cyklu (ORC), ktorý funguje rovnako ako parné tepelné obehy využívané v konvenčných tepelných elektrárňach s tým rozdielom, že ako pracovná látka nie je použitá voda, ale organické médium. Pracovná látka vstupuje v kvapalnom stave do výmenníka, kde sa ohrieva a odparuje.

Vzniknutá para prúdi do expandéra (v parných cykloch je to väčšinou turbína, ktorú roztáča, pričom rotačný pohyb sa prevádza hriadeľom na generátor vyrábajúci elektrinu) a po prechode expandérom ďalej do kondenzátora, kde sa ochladí a opäť skvapalní. Čerpadlo potom dopraví vzniknutú kvapalinu opäť do výmenníka, čím sa celý tepelný cyklus uzatvára.

Vo všeobecnosti sa ako pracovné látky v ORC využívajú chladivá (napr. R245fa), silikónové oleje (siloxany) a kvapaliny na báze uhľovodíkov (napr. pentán, toluén). Zaujímavosťou je, že prvé ORC zariadenie využívalo ako pracovnú látku motorovú naftu a bolo skonštruované už v 19. storočí.

Výhodou organických látok je, že sú schopné dosahovať prijateľné parametre už pri relatívne nízkom pracovnom tlaku a teplote, čo umožňuje stavbu výrazne subtílnejších zariadení, než je to v prípade parných cyklov. Rad z nich má oproti vode aj pomerne vysokú molárnu hmotnosť (voda 18 g/mol, hexamethyldisiloxan 162 g/mol). To v praxi zjednodušene znamená, že možno pracovať s výrazne nižšími hmotnostnými tokmi látky, čo opäť vedie k možnosti minimalizácie zariadenia.

Mikroelektráreň WAVE je výsledkom osemročného vývoja, ktorý sa začal stavbou experimentálnej jednotky na pôde FS ČVUT v Prahe. Jednotka slúžila na overenie základných teoretických úvah, výpočtov a na získanie skúseností z prevádzkovania organického obehu, ktorý sa od parného prakticky značne líši. Experimentálna jednotka teda neprodukovala žiadnu elektrickú energiu a jej rozmery boli veľmi vzdialené od predstavy o komerčnom nasadení.

Ďalšia generácia zariadení pod označením WAVE 1 už bola skonštruovaná v Univerzitnom centre energeticky efektívnych budov (UCEEB) v Buštěhradě, ktoré spadá takisto pod ČVUT. Zariadenie bolo výrazne menšie, kompaktné a bolo schopné vyrábať až 1 kW elektrického výkonu. Mikroelektráreň však stále vykazovala vyššiu vlastnú spotrebu elektriny, než bola sama schopná vyrobiť.

Súčasný prototyp WAVE Enterprise produkuje už 1 kW do elektrickej siete (vrátane započítania všetkých vlastných spotrieb) a 50 kW vo forme tepla, ktorým zásobuje budovu UCEEB. Jeho ďalšou verziou už budú pilotné jednotky pripravené na nasadenie do reálnej prevádzky, ktoré budú schopné dosiahnuť čistý elektrický výkon 2 kW.
Komponenty využívané v zariadeniach WAVE sa od počiatku vyvíjajú s dôrazom na optimálne vyváženie medzi technickou vyspelosťou a výrobnými nákladmi. Prakticky všetky komponenty sú výsledkom vlastného vývoja.

WAVE Enterprise sa skladá z dvoch oddeliteľných častí – spaľovacej komory, na ktorú nasadá špeciálny spalinový výmenník, a samotnej ORC časti, ktorá obsahuje expandér, kondenzátor, čerpadlo a ďalšie pomocné technológie.
Z hľadiska dosiahnutia parametrov, ktoré majú na uplatnenie WAVE na trhu zásadný vplyv, sú kľúčové tri súčasti: spalinový výmenník, obehové čerpadlo a expandér.

Spalinový výmenník
Spalinový výmenník je umiestnený na spaľovacej komore, ktorá je pri prototype navrhnutá na spaľovanie drevnej štiepky. Výmenník sa skladá z niekoľkých paralelne vinutých oceľových rúrok, v ktorých prúdi organické médium. Rúrky sú na vstupe a výstupe spojené rozvádzacou komorou. Obal výmenníka je veľmi jednoducho otvárateľný, aby sa dal výmenník rýchlo čistiť bez nutnosti rozobratia.

Obehové čerpadlo
Čerpadlo ORC okruhu je výsledkom optimalizácie už existujúcich zubových čerpadiel, ktoré sa vyrábajú vo veľkých sériách. Radom úprav, ktoré vyplynuli z mnohých experimentov a overovacích výpočtov, sa podarilo dosiahnuť celkovú elektrickú účinnosť čerpadla prevyšujúcu 60 %, čo je pri čerpadle s takým malým výkonom veľmi priaznivá hodnota. Využíva sa cenovo veľmi priaznivé zariadenie len s drobnými úpravami.

Expandér
Tento prvok je hlavným komponentom celej ORC jednotky a jeho vývoj a optimalizácia sú nosnou úlohou vývojového tímu. Snaha o nájdenie jednoduchého riešenia, ktoré bude vhodné na budúcu sériovú výrobu, znamenala vyhnúť sa overeným, ale finančne náročným riešeniam, ako je napríklad turbína alebo závitový expandér využívajúci podobné technológie s vyššími výkonmi.

Po rade úvah sa vybral tzv. lamelový expandér, ktorého princíp činnosti spočíva v excentricky umiestnenom rotore oproti statoru. V rotore je niekoľko pohyblivých lamiel, ktoré sa vplyvom jeho otáčania vysúvajú. Excentrické umiestnenie rotora spôsobí meniaci sa objem komôr medzi lamelami, statorom a rotorom. Prúdiaca para tu tak môže postupne expandovať, a tým odovzdávať časť svojej energie rotoru, ktorý je spojený s elektrickým generátorom.

Expandér nevychádza svojou konštrukciou zo žiadnych komerčne dostupných komponentov (existujú napríklad lamelové čerpadlá a kompresory), je kompletne výsledkom vlastného vývoja. Súčasnú generáciu expandérov možno vyrobiť konvenčnými metódami obrábania, čo je oproti turbíne alebo závitovému expandéru veľká výhoda, najmä pri budúcej sériovej produkcii.

Nasadenie v pilotných prevádzkach

Mikroelektráreň WAVE Enterprise je v súčasnosti pripravená na nasadenie v pilotných prevádzkach. Na komerčné uplatnenie sa však počíta s ďalším vývojom smerujúcim k výraznému zvyšovaniu elektrickej účinnosti. V súčasnej konfigurácii zariadenia možno reálne dosiahnuť elektrický výkon na úrovni 4 kW, teda zdvojnásobenie jestvujúcich parametrov. Predovšetkým tak pôjde o optimalizáciu vlastnej spotreby zariadenia a zvyšovanie účinnosti expandéra.

Finálny produkt však počíta so spojením niekoľkých tepelných cyklov dohromady. Veľmi zaujímavé parametre vykazujú napríklad kombinácie parného obehu s organickým Rankinovým cyklom. Pri ich sériovom zapojení možno teoreticky dosiahnuť aj elektrický výkon 12 kW pri nemennom príkone v palive. Reálne dosiahnuteľná hodnota sa pohybuje na úrovni 8 až 10 kW.

Na dosiahnutie takýchto vysokých parametrov je však nevyhnutné získať značné množstvo finančných prostriedkov na výskum a vývoj. Preto sa už na rok 2018 plánuje umiestnenie prvých produktov v komerčných podmienkach, aj keď s nižšími výkonmi, ale s už pomerne zaujímavými ekonomickými a ekologickými prínosmi. Z hľadiska životného prostredia sú prínosy najmä vo výraznej úspore emisií oxidu uhličitého a primárnych energetických zdrojov, v ČR ide hlavne o hnedé uhlie.

Text: Ing. Petr Mydlil
Autor pôsobí v Univerzitnom centre energeticky efektívnych budov ČVUT.
Foto a obrázky: UCEEB

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 5/2016.