Využitie plynovej kogeneračnej jednotky na pohon tepelného čerpadla

Príspevok sa venuje možnosti uplatnenia plynovej kogeneračnej jednotky (KGJ) ako pohonnej jednotky tepelného čerpadla (TČ) typu vzduch/voda. Pri spracovávaní modelovej situácie bolo snahou nájsť uplatnenie energeticky účinnej technológie kogenerácie v spojitosti s tepelným čerpadlom na prípravu teplej vody v okrskovej plynovej kotolni. Elektrina vyprodukovaná KGJ bude slúžiť iba na pohon TČ v tzv. ostrovnej prevádzke. Takto možno uplatniť technológiu kogenerácie v danom type energetického zdroja aj v situácii, keď sa z dôvodu technickej obštrukcie prevádzkovateľov regionálnych distribučných sústav nedá pripojiť žiadny nový zdroj elektriny.

Pri spracovávaní energetického auditu spoločnosti a návrhu racionalizačných opatrení v rámci konzultácií s objednávateľom auditu vyšiel podnet na spracovanie modelu inštalácie tepelného čerpadla vzduch/voda na prípravu teplej vody v prechodnom a letnom období s čiastočným využitím aj na dodávku tepla na vykurovanie. Z toho následne vyplynula možnosť spracovania modelu s uplatnením napájania pohonného elektromotora z kogeneračnej jednotky na báze spaľovania zemného plynu v ostrovnom režime.

Východisková pozícia

Pri modelovom návrhu sme vychádzali z bilančných údajov o spotrebe energie zo zemného plynu na prípravu teplej vody v mesiacoch marec až november za tri roky prevádzky okrskovej plynovej kotolne. Okrsková kotolňa zásobuje teplom systém odberných objektov, v ktorých sú nainštalované kompaktné objektové odovzdávacie stanice s čiastočnou akumuláciu TV na pokrytie odberových špičiek.

V samotnej kotolni sú ako pozostatok bývalého systému centrálneho ohrevu a dodávky teplej vody k dispozícii viaceré nádrže zásobníkových ohrievačov teplej vody, ktoré možno po repasovaní a dodatočnej tepelnej izolácii využiť na akumuláciu tepla na dosiahnutie lepšej rovnomernosti prevádzky KGJ a TČ. Využitie akumulácie znižuje potrebný výkon TČ aj KGJ a tým, samozrejme, aj investičnú náročnosť.

Samotná inštalácia uvedeného tandemu zariadení nezvýši ani celkový výkon kotolne – zároveň sa totiž navrhlo odinštalovať najstarší kotol, keďže súčasný výkon kotolne je príliš vysoký, o čom svedčí hodnota ročného využitia inštalovaného výkonu na úrovni 800 – 900 hodín.

Spracovanie bilančných údajov

V tab. 1 sú uvedené vypočítané priemerné prevádzkové výkony systému výroby a dodávky tepla z predmetnej okrskovej kotolne.

Z uvedených hodnôt za tri bilančné roky vyšiel priemerný výkon vo výrobe tepla na pokrytie celej spotreby tepla na prípravu teplej vody vo výške 638 kW. 
Na stanovenie priemerného SCOP (celkový koeficient pomeru vstupujúcej a vystupujúcej energie vrátane pomocných pohonov) sme po konzultáciách s dodávateľmi TČ stanovili priemerné hodnoty v jednotlivých mesiacoch a nakoniec priemerné hodnoty za uvažované obdobie využívania TČ. Údaje sú uvedené v tab. 2.

Modelový výpočet

Na samotný modelový výpočet sme potrebovali stanoviť proporciu dimenzovania KGJ a TČ. Celkový tepelný výkon oboch zariadení nepokrýva celkovú potrebu, ale je optimalizovaný tak, aby sa maximálne využil inštalovaný výkon. Obmedzujúcim faktorom bola škála ponúkaných KGJ na trhu – vzhľadom na už uvedenú skutočnosť nemožnosti pripojenia nových zdrojov vyrábajúcich elektrinu do RDS ide totiž pri všetkých „malých“ KGJ v podstate o kusovú výrobu, čo má následne nepriaznivý vplyv na ich cenu.

Pre nás však boli potrebné hlavne technické údaje. Keďže išlo o rámcový výpočet na účely EA, nie o konkrétnu štúdiu realizovateľnosti, vychádzali sme z dostupných údajov na internetových stránkach spoločností ponúkajúcich KGJ. V prípade TČ je ponuka na trhu širšia, hlavne však možno potrebný výkon naskladať z modulových jednotiek bez podstatného vplyvu na realizačnú cenu.

Takto zostavené celky majú následne aj širšiu škálu regulácie, resp. nasadzovania do prevádzky. Na základe predchádzajúcich úvah nám pri daných technických požiadavkách vyšla ako optimálna kombinácia na výpočet KGJ s elektrickým výkonom približne 120 kW a tepelným výkonom 172 kW a TČ s celkovým tepelným výkonom 350 kW.
Celý modelový výpočet je uvedený v tab. 3 a 4. Ako alternatívu na porovnanie sme do výpočtu zaradili aj plynové tepelné čerpadlo (PTČ), resp. kaskádu s celkovým tepelným výkonom 480 kW (6 ks).

Záver

Z modelového výpočtu vyplýva, že úvaha o inštalácii tepelného čerpadla poháňaného plynovou kogeneračnou jednotkou predstavuje spojenie technológií, ktoré prináša v uvažovaných intenciách prevádzky a nákladovosti investície zaujímavú hodnotu návratnosti. Viac-menej porovnateľná technológia plynového tepelného čerpadla má však trocha lepšiu návratnosť. Pri uplatnení KGJ možno predpokladať, že po prelomení embarga na pripájanie ju bude možné prevádzkovať v paralelnom režime v rámci RDS.

Uvažované riešenie – či už s PTČ, alebo s KGJ + TČ – bude zrejme stále častejšie používané pri riešení zásobovania teplom na vykurovanie budov, hlavne pri potrebe dodržania globálneho ukazovateľa energetickej náročnosti v rámci systémov zásobovaných teplom na báze spaľovania zemného plynu. Koeficient primárnej energie klesne z hodnoty 1,36 na hodnotu 0,919 pri KGJ + TČ a na 0,716 pri PTČ.
Keďže však ide skutočne o rámcový technicko-fyzikálny model, neriešili sme súvislosti cenotvorby tepla v platnom regulačnom rámci.

Text: Ing. Pavol Kosa
Autor je generálnym riaditeľom Národnej energetickej spoločnosti, a. s.

Ilustračné foto: Ekofond

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 4/2016.