Výroba tepla a elektrickej energie z biomasy

Sú mikrokogeneračné jednotky na spaľovanie pevnej biomasy budúcnosťou v energetickom mixe zdrojov energie alebo iba slepou vývojovou uličkou? V súčasnosti nastáva obdobie, keď musia krajiny EÚ nastaviť smerovanie energetickej politiky na zvýšenie efektívnosti výroby a spotreby energie použitím obnoviteľných zdrojov energie (OZE) nielen z dôvodu ochrany životného prostredia a znižovania energetickej náročnosti budov, ale aj s ohľadom na energetickú bezpečnosť a sebestačnosť.

Jednou z možností, ako využívať vlastné OZE, je vyrábať teplo a elektrickú energiu z biomasy v zariadeniach so stabilným tepelným a elektrickým výkonom, ktoré nepôsobia negatívne na rozvodnú sieť elektrickej energie a zároveň sú šetrné k okolitému životnému prostrediu.

Mikrokogenerácia

Pod pojmom mikrokogenerácia (ďalej len mikroKVET) sa rozumie proces kombinovanej výroby tepelnej a elektrickej energie do maximálneho elektrického výkonu 50 kWh_el. [1]. V prípade zásobovania rodinných domov a malých budov tepelnou a elektrickou energiou môžeme hovoriť o tzv. nanokogeneračných jednotkách, kde sa pohybujú maximálne výkony elektrickej energie do 10 kWh_el.Tieto zariadenia môžu pracovať na základe rozličných spôsobov premeny energie obsiahnutej v širokej škále palív. Najčastejšou a najspoľahlivejšou kombináciou je spaľovanie benzínu, nafty a zemného plynu (etanolu, bioplynu, biometánu) v spaľovacích piestových motoroch. Tu dochádza k výrobe mechanickej energie, ktorá sa za pomoci generátora premieňa na elektrickú. Tepelná energia sa získava z procesu chladenia samotného motora a horúcich spalín. Na premenu pevnej biomasy na kvapalné či plynné palivo však treba inštalovať technológiu, ktorá zaberá viacej priestoru a je aj technologicky a finančne náročnejšia.Najjednoduchším a najefektívnejším spôsobom premeny energie biomasy na tepelnú energiu je spaľovanie pevnej biomasy vo forme kusového dreva, brikiet či peliet. Na premenu tepelnej energie na elektrickú (mechanickú) sa v súčasnosti využívajú najmä technológie horúcoplynových expanzných motorov (Stirlingov motor), parných motorov a termoelektrické generátory.

Obr. 1 Prototypy mikroKVET [2, 3]

Výskum a vývoj

Najčastejšou skúmanou technológiou na premenu tepelnej energie na mechanickú a následne na elektrickú je Stirlingov motor. Róbert a James Stirlingovci zostrojili v roku 1816 tepelný stroj, ktorý bol bezpečný, jednoduchý a najmä hospodárny. V tom čase sa využíval predovšetkým na odčerpávanie vody z baní. Účinnosť tohto motora bola vtedy porovnateľná s účinnosťou parného stroja. V súčasnosti nastala renesancia Stirlingovho motora v rozličných vyhotoveniach. Mnohé firmy a výskumné inštitúcie, hlavne v Nemecku a Rakúsku, zostrojili rôzne prototypy, ktoré zhotovovali pomocou veľmi presných technológií s použitím najnovších materiá­lov a pracovných látok (plnív) – vzácnych plynov. Všetky vylepšenia oproti starým motorom sa uskutočnili s cieľom zvýšiť účinnosť premeny tepelnej energie na mechanickú, odstrániť úniky pracovných plynov a dosiahnuť rekuperáciu tepla pracovného plynu. Niektoré vyhotovenia motorov od renomovaných zahraničných firiem osadených na kotloch, ktoré spaľujú pevnú biomasu, sú znázornené na obr. 1. Snaha dosiahnuť účinnosť okolo 25 % premeny tepelnej energie na mechanickú však viedla k vysokej obstarávacej cene, ktorá sa momentálne pri výkone okolo 1 kW mechanickej energie pohybuje okolo 11 000 až 14 000 €. Aj táto skutočnosť prinútila firmy zastaviť výskum a dané výrobky nepustiť na trh. Malé spoločnosti zaoberajúce sa výlučne výrobou a výskumom mikrokogeneračných jednotiek však uviedli na trh niekoľko typov mikrokogeneračných, resp. nanokogeneračných jednotiek na spaľovanie pevnej biomasy.

MikroKVET zariadenia na trhu EÚ

Na trh a následne k zákazníkom sa z celého radu vyvíjaných jednotiek dostali nakoniec iba dva typy:Jedným z nich bol nemecký Sunmachine. Túto jednotku uviedli na trh v roku 2007 za 23 000 €. Pri kúpe celej odporúčanej zostavy aj s akumulačným zásobníkom a záložným zdrojom (elektrické výhrevné teleso) sa cena pohybovala okolo 30 000 € [6]. Samotná jednotka spaľovala v horáku iba drevné pelety spĺňajúce normu DIN plus a premena tepelnej energie na mechanickú prebiehala za pomoci Stirlingovho motora. Jednotka bola určená do rodinných domov, bytoviek a malých prevádzok. Základné údaje o jednotke sú uvedené v tab. 1. Jednotka bez krytu je znázornená na obr. 2. Ďalším výrobcom mikroKVET bol rakúsky Bison Powerblock. Jednotku uviedli na trh v roku 2004 za 22 000 € [6]. Jednotka spaľovala v horáku iba drevné pelety spĺňajúce normu DIN plus a premena tepelnej energie na mechanickú (následne na elektrickú) prebiehala prostredníctvom dvojhlavového/dvojtaktného lineárneho parného generátora. Jednotka bola určená do rodinných domov, bytoviek a malých prevádzok s ročnou potrebou tepla od 20 do 50 MWh/rok. Základné údaje o jednotke sú uvedené v tab. 2. Jednotka je znázornená na obr. 3.

Obr. 3 Pohľad na mikroKVET typu Bison Powerblock [5]

Prevádzka mikroKVET v rodinných domoch

Ako príklad uvádzame prevádzku jednotky Sunmachine inštalovanej v rodinnom dome v Nemecku. Samotné zariadenie má osadených vyše 28 snímačov rôznych veličín, ktoré sa zaznamenávajú a vyhodnocujú v riadiacej jednotke. Na základe týchto údajov sa riadi nielen zdroj energie, ale aj celý systém vykurovania a prípravy teplej vody v dome. Jednotka je zapojená do vykurovacieho systému podľa odporúčaní výrobcu cez akumulačný zásobník s osadenou elektrickou výhrevnou vložkou. Zapojenie aj s meranými teplotami je na obr. 4. Riadenie výkonu kogeneračnej jednotky závisí v tomto prípade od teploty vykurovacej vody v strede akumulačného zásobníka. Akumulačný zásobník sa vyhrieva primárne elektrickou ohrevnou vložkou, následne, ak sa týmto spôsobom ohrevu nedosiahne nastavená hodnota na úrovni približne +43 °C, spustí sa kogeneračná jednotka a vypne sa ohrevná elektrická vložka. Výkon jednotky po štarte nabieha na približne 90 % skutočného nominálneho výkonu v priebehu 45 minút. Ďalej jednotka riadi proces spaľovania v rozsahu 70 až 100 % skutočného nominálneho tepelného výkonu, kým teplota v strede zásobníka nedosiahne hodnotu približne 67 °C, potom sa zastaví prívod paliva (drevných  peliet) a spaľovacieho vzduchu. Na obr. 5 je znázornený graf priebehu teplôt a výkonov počas dvoch mesiacov prevádzky vo vykurovacom období. Bledomodrá krivka na grafe znázorňuje priebeh vonkajšej teploty vzduchu. Výrez grafu zo 4. a 5. januára je znázornený na obr. 6. Na oboch grafoch možno podľa zelenej krivky vidieť, že reálny nominálny tepelný výkon je približne o 3 kW vyšší, ako ho uvádza výrobca. Výkon dosiahnutý na strane výroby elektrickej energie je maximálne 1,3 kW, čo nie je ani polovica hodnoty elektrického výkonu jednotky udávaného výrobcom. Na grafoch ďalej vidieť tmavomodrú krivku, ktorá znázorňuje priebeh teplôt na vratnom potrubí smerujúcom do jednotky. Teplota sa v čase prevádzky kogeneračnej jednotky pohybuje od 40 do 75 °C. Mechanický výkon osadeného Stirlingovho motora závisí od rozdielu teploty na ohrievanej strane (červená krivka na obr. 6), ktorá dosahuje teplotu do 70 °C, a teploty vratnej vody. Rozdiel týchto teplôt je teda v rozpätí 60 – 70 K, takže pokles alebo nárast teploty vratnej vody v rozsahu 35 °C sa na mechanickom výkone motora výrazne nepodieľa. Ohrievaná časť motora má aj určitú tepelnú zotrvačnosť, výkon motora je teda relatívne stabilný, pohybuje sa na úrovni reálneho nominálneho výkonu. Výrazný pokles až zastavenie motora však nastáva už pri znížení teploty na ohrevnej strane pod 65 °C. 

Obr. 4 Zapojenie Sunmachine do vykurovacieho systému [4]

Záver

Na základe meraní zaznamenaných pri jednotke Sunmachine sa dá zhodnotiť, že výrobcom odporúčané zapojenie s prednostným ohrevom akumulačnej nádrže a za pomoci ohrevnej elektrickej špirály a zaradenia výmenníka medzi kogeneračnú jednotku a akumulačný zásobník spôsobuje zníženie efektívnosti prevádzky kogeneračnej jednotky. Ďalej možno konštatovať, že výrobcom udávané údaje o výkonoch jednotky sú nesprávne a nedá sa s nimi kalkulovať pri technickom a ekonomickom výbere jednotky a následnom návrhu pre odbernú sústavu  (vykurovací systém, elektrické spotrebiče). Tieto rozdiely spôsobuje použitie nedostatočne otestovaných materiálov a komponentov, ktoré prispieva aj k častej poruchovosti zariadení. Vysoká obstarávacia cena, aj napriek dotáciám a daňovým úľavám zo strany štátu (v Nemecku a Rakúsku), ako aj častá poruchovosť a potreba menenia častí zariadení viedli k reklamáciám a vracaniu zakúpených jednotiek výrobcovi. Ten v dôsledku týchto skutočností a nedostatku vlastných zdrojov na zdokonalenie jednotiek vyhlásil bankrot. Technologická licencia sa predala inej nemeckej firme, ktorá momentálne hľadá riešenia na odstránenie chybovosti zariadenia. Niekoľko jednotiek prevádzkujú majitelia pomocou vlastného servisu a obsluhy.  Podobný osud postihol aj rakúsku firmu vyrábajúcu Bison Powerblock, kde dochádzalo k chybovosti zariadenia hlavne v oblasti výroby a distribúcie pary k piestom, ako aj z dôvodu nedostatočnej elektronickej výbavy na lokálne aj vzdialené riešenie chybových stavov jednotky. Momentálne nie je na svetových trhoch žiadna mikrokogeneračná jednotka spaľujúca pevnú biomasu. Vývoj a výskum týchto jednotiek však naďalej prebieha a možno sa na trh dostanú funkčné a ekonomicky rentabilné mikrokogeneračné zariadenia schopné stabilných dodávok tepla a elektrickej energie do rodinných domov, bytoviek či komerčných a priemyselných budov s nízkou potrebou tepelnej a elektrickej energie.

Obr. 5 Grafické znázornenie priebehu teplôt a výkonov jednotky za dva mesiace

Foto a obrázky: archív autorov

Literatúra
1.    Zbierka zákonov č. 309/2009 z 19. júna 2009 o podpore obnoviteľných zdrojov energie a vysoko účinnej kombinovanej výroby a o zmene a doplnení niektorých zákonov.
2.    Firemná prezentácia © Hoval/Nov09 Die wärmegeführte Kraft-Wärme-Kopplung (http://www.heizungs.org/cmsfiles/Vortrag_Telian_-_-_.pdf).
3.    Obernberger, I.: Biomasse-Verstromung mittels Stirlingmotor – Grundlagen und praktische Erfahrungen – PDF#0003 (http://www.bios-bioenergy.at/uploads/media/Presentation-VerstromungMittelsStirlingmotor-2004-04-16.pdf).
4.    http://home.kraftwerkimhaus.de.
5.    http://buttonenergy.at.

Ing. Michal Hargaš, doc. Ing. Ján Takács, PhD.
Autori pôsobia na Katedre technických zariadení budov Stavebnej fakulty STU v Bratislave v oblasti využívania obnoviteľných zdrojov energie.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.