Úspešná diplomovka: Kotolňa na biomasu pre dom dôchodcov v Stupave

Diplomová práca s touto témou získala Cenu SSTP a Cenu TOP za rok  2014. Diplomová práca sa zaoberala návrhom kotolne na spaľovanie biomasy s cieľom zásobovať teplom dom dôchodcov v Stupave a možnosťami získavania paliva v danom regióne s následným ekonomickým a ekologickým vplyvom na životné prostredie.

V súčasnosti sa na úseku technológií kladie čoraz väčší dôraz nielen na ich ekonomickú, ale aj ekologickú stránku. Veľký podiel má na tom transformovanie energie obsiahnutej vo fosílnych palivách. Pri spaľovaní fosílnych palív vzniká totiž množstvo znečisťujúcich látok, ktoré prinášajú klimatické zmeny aj zdravotné problémy. Aj na základe toho nariadila Európska únia, aby sa v energetických politikách členských štátov znížili do roku 2020 emisie skleníkových plynov o 20 %, zvýšila energetická efektívnosť o 20 % a využili sa obnoviteľné zdroje energie na úrovni 20 %.

Dom dôchodcov a zdroj paliva

Dom dôchodcov (kaštieľ), ktorý bol predmetom diplomovej práce, sa nachádza v centre mesta Stupava na zastavanej ploche 2 740 m² a je v ňom ubytovaných 210 osôb (obr. 1). Ročná spotreba energie objektu je 6 859 GJ. Súčasťou domu dôchodcov je aj rozsiahly stupavský park s rozlohou 289 ha (obr. 2). Na tejto ploche sa nachádza trvalý trávnatý porast (TTP) a stromy, ktoré treba pravidelne udržiavať. Z údržby vzniká odpad, ktorý je potenciálnym zdrojom energie. Produkciu TTP sme preto navrhli energeticky zhodnotiť vo forme energetického sena, ktoré sa následne zušľachtí speletovaním na tzv. agropelety (obr. 3). Výnos sušiny sena sa pohybuje medzi 2 až 4 t/ha z jedného kosenia, ktoré sa dá realizovať 2- až 3-krát do roka [1]. Zo stupavského parku tak možno vyprodukovať 344 t agropeliet za rok. Energetická hodnota speletovaného sena sa pohybuje na úrovni okolo 17 MJ/kg [2]. Z údržby stromov vzniká drevný odpad, ktorý má z hľadiska energetiky tiež veľký potenciál využitia. Halúzky a konáre sme navrhli zušľachtiť štiepkovačom do formy drevnej štiepky, ktorej výhrevnosť sa pri optimálnej vlhkosti pohybuje od 10 do 15 MJ/kg [3]. Výnos drevnej štiepky zo stupavského parku sa predpokladá na úrovni 15 t za rok. Stupavský park môže byť teda značným producentom paliva.

Návrh zdroja tepla

Pri návrhu typu kotlov sme zvážili tak ekologické, ako aj ekonomické hľadisko [4]. V súčasnosti sú zdrojom tepla domu dôchodcov tri kotly na spaľovanie zemného plynu (3× 300 kW) a bolo by neekonomické nahradiť všetky tieto zariadenia, ktoré majú 12 rokov a sú v podstate zachovalé. Z toho dôvodu sme navrhli, aby sa jeden kotol zachoval a pokrýval potrebu tepla na prípravu TV v letnom období a špičkovú potrebu tepla, ktorá sa vyskytuje v zimných mesiacoch. Navrhnuté kotly na biomasu budú pokrývať základnú potrebu tepla a prípravu TV v zimnom období. Prerozdelenie kotlov s potrebou paliva v jednotlivých mesiacoch je graficky znázornené na obr. 4.

Obr. 4 Pokrytie mesačných potrieb energie palivami:  agropelety,  drevná štiepka,  zemný plyn

Potreba paliva

Aby nevznikol problém s nedostatkom paliva v rámci jednotlivých mesačných vykurovacích procesov, bolo nevyhnutné vypočítať potrebné množstvá paliva v daných mesačných obdobiach (obr. 4). Pri výpočtoch sme vychádzali z mesačných spotrieb energie, z priemernej výhrevnosti paliva a z účinnosti spaľovania kotlov. Z výpočtov vyplynulo, že ročnú spotrebu energie bude vo väčšej miere pokrývať teplo vyprodukované zo spaľovania agropeliet. Najväčším prínosom tohto návrhu spaľovania biomasy je zníženie potreby plynu na 9,4 % z pôvodného stavu. Na základe vypočítaných množstiev potrieb paliva v daných mesačných obdobiach sa ukázalo, že vyprodukované množstvo agropeliet úplne pokryje potrebu paliva pre kotol na spaľovanie agropeliet (obr. 5). Z výpočtov vyplynula dokonca jasná nadprodukcia agropeliet v množstve 26,3 t. Túto nadprodukciu sa oplatí uviesť na trh, a tým si zlepšiť ekonomickú situáciu. Zároveň sa ukázal väčší zostatok paliva počas jesene, preto treba pri realizácii riešiť aj externý sklad na uskladnenie agropeliet.

Obr. 5 Palivové hospodárstvo pokrytia spotreby paliva agropeletami

Vyprodukované množstvo drevnej štiepky však v mesiaci február nepokryje celú potrebu paliva pre kotol na spaľovanie drevnej štiepky (obr. 6). Nedostatok drevnej štiepky treba preto riešiť dovozom z okolitého lesného priemyslu. Na základe vypočítaného potrebného objemu paliva sa navrhli sklady palív, a to z hľadiska veľkosti, dispozície a technických riešení. Sklad paliva agropeliet by mal mať objem 25,6 m³ a sklad paliva drevnej štiepky 37,8 m³. Pri spaľovaní agropeliet a drevnej štiepky vzniká značné množstvo popola. Tento popol možno považovať za čistý, pretože pri výrobe paliva neboli použité žiadne chemické látky ani chemické úpravy. Otázka však znie, či sa bude popol považovať za odpad a bude sa vyvážať na skládku, alebo sa efektívne využije ako prírodné minerálne hnojivo. V našom prípade sa popol pneumaticky nasáva z technickej miestnosti do kontajnera umiestneného vedľa objektu. Objem kontajnera je 12,14 m³ a bude sa vyvážať 3-krát za rok.

Obr. 6 Palivové hospodárstvo pokrytia spotreby paliva drevnou štiepkou

Náklady na výrobu paliva

Náklady na výrobu paliva predstavujú náklady vzniknuté pri výrobe agropeliet a drevnej štiepky. Pri stanovení ceny agropeliet bolo potrebné rozdeliť výrobnú prevádzku do dvoch sekcií. Prvá sekcia pozostáva z nákladov vynaložených pri zisku sena, teda pri kosení, prehrabaní a samotnom balíkovaní vysušeného sena. Celkové náklady jednotlivých úkonov na zisk sena sú uvedené v tab. 1 – počítalo sa s rozlohou trávnatých porastov 255 ha. V druhej sekcii sa počíta s nákladmi na spotrebu elektrickej energie navrhnutého drviča balíkov sena a peletovacej linky. V tomto prípade sa zohľadnila aj nutná pracovná obsluha zariadení. Pri výrobe paliva sa počítalo s vytvorením nových pracovných miest a s pracovným časom 8 hodín (počas pracovného dňa). Celkové ročné náklady sú uvedené v tab. 1.

Ak vypočítame náklady na výrobu 1 t agropeliet, vyjde cena 85,36 €/t. Pri porovnaní tejto výrobnej ceny s predajnou cenou agropeliet, ktorá sa pohybuje na trhu na úrovni okolo 175,00 €/t, je naša výrobná cena skoro 2-krát lacnejšia. Z potrieb paliva vychádza potom aj nadprodukcia agropeliet, a to s hmotnosťou 26,3 t. Ak by sa táto nadprodukcia uviedla na trh, priniesla by z predaja ročné prilepšenie o 4 598,00 €. Ako sme už spomínali, drevná štiepka vyprodukovaná z údržby zelene zníži potrebu dokupovania  drevnej štiepky v mesiaci február, čím sa znížia aj náklady. Ani pri drevnej štiepke však nesmieme zabúdať na výrobné náklady, ktoré sú uvedené v tab. 2.

Náklady na výrobu drevnej štiepky sa pohybujú okolo 76,42 €/t, trhová cena je v priemere 85,00 €/t. Pri porovnaní vychádza naša výrobná cena o niečo nižšia, stále však s ekonomickým prínosom.
Z porovnania nákladov vynaložených na palivo pri súčasnej a navrhovanej prevádzke (tab. 3) je zrejmé, že pri prevádzke navrhovanej kotolne sa ročne ušetrí skoro polovica nákladov. Pri ročnej spotrebe energie 6 859,3 GJ dokážeme v súčasnosti vyrobiť 1 GJ tepla zo spaľovania zemného plynu za 15,50 €, kým pri nami navrhovanej prevádzke spaľovania palív sa 1 GJ tepla vyrobí za 8,13 €.

Obr. 7 Ekonomické a ekologické porovnanie prevádzok:  prevádzkové náklady  emisie CO₂

Návratnosť investičných nákladov

Keď hovoríme o návratnosti vynaložených investícií, uvádzame čas, za ktorý sa pomocou prevádzkových úspor na palive vráti vynaložená investícia na vybudovanie kotolne. Po uplynutí návratnosti investičných nákladov prináša návrh riešenia ekonomický zisk. Celkové investičné náklady zariadení navrhovanej kotolne a zariadení na výrobu paliva sa pohybujú okolo 218 252,66 €. Približná návratnosť týchto investícií je 4,3 roka. Pri biomase sa oplatí realizovať investície pri návratnosti do 8 rokov.

Obr. 3 Energetické zhodnotenie sena

Ekologické zhodnotenie prevádzky

Množstvo emisií jednotlivých prevádzok sme určili pomocou súčiniteľa emisií a faktora emisií primárnej energie na základe vyhlášky MVRRSR č. 364/2012 Z. z. Porovnanie množstva emisií CO₂ je uvedené v tab. 4. Z nej vyplýva, že zavedením navrhovanej prevádzky kotolne sa emitujúce emisie CO₂ znížia oproti súčasnej prevádzke takmer 2,5-násobne.

Obr. 2 Stupavský park má rozlohu 289 ha.

Záver

Vykonávaním údržby zelene stupavského parku a následnou výrobou agropeliet a drevnej štiepky možno značne pokryť spotrebu energie domu dôchodcov v Stupave. Navrhnutou prevádzkou sa zníži závislosť od dodávok zemného plynu približne o 90 %, čím sa zároveň prispeje k plneniu smernice č. 2010/31/EÚ o energetickej hospodárnosti budov (20/20/20). Zníži sa aj emitované množstvo emisií CO₂ (asi o 88 %), a to vďaka prirodzenému kolobehu uhlíka pri spaľovaní biomasy. Ekonomický prínos navrhnutej prevádzky spočíva v znížení prevádzkových nákladov približne o 47 %, pričom vynaložené investície sa vrátia do 4,3 roka. Pravidelnou údržbou stupavského parku sa zároveň vytvoria nové pracovné miesta a zníži sa aj zaťaženie alergikov.
Ak chce investor a prevádzkovateľ znížiť náklady na prevádzku domu dôchodcov v Stupave, mal by tak zvážiť realizáciu navrhnutého riešenia.

Foto a obrázky: autor

Literatúra
1. ONDRUŠKA, J.; ŠOOŠ, Ľ.; MATÚŠ, M.: Chemicko-termická analýza sena – ekologický a energetický potenciál. In: Ochrana ovzdušia: Kongres STUDIO, spol. s r. o., Bratislava, 2011.
2. DAVIS, CH. et al.: Technical assessment of grass pellets as boiler fuel in Vermont. By University of Vermont, Burlington USA, 2011.
3. TRIENČANSKY, M.; LIESKOVSKÝ, M.; ORAVEC, M.: Energetické zhodnotenie biomasy. Zvolen: Vydavateľstvo Národné lesnícke centrum, 2007.
4. LULKOVIČOVÁ, O. a kolektív: Zdroje tepla a domové kotolne. Bratislava: Vydavateľstvo JAGA Group, s. r. o., 2004.

Ing. Tomáš Kukumberg
Autor pôsobí v realizačnej a projekčnej firme v oblasti TZB.

Článok bol uverejnený v časopise  TZB HAUSTECHNIK.