• TEPELNÁ ČERPADLA ...
• ENERGIE SLUNCE - Teplo
• ENERGIE SLUNCE - Elektřina
• ENERGIE VĚTRU
• ENERGIE VODY
• ENERGIE BIOMASY
• KOGENERACE
• ÚSPORNÁ OPATŘENÍ - RD
• ÚSPORNÁ OPATŘENÍ - BD
• EN. ÚSPORNÉ SPOTŘEBIČE
• EN. ÚSPORNÉ OSVĚTLENÍ
• NÍZKOENERGETICKÉ DOMY

• Střediska EKIS
• Česká energetická agentura
• Energetický informační systém
• Zajímavosti z energetiky - GEMIS
• LOUISA - software
• Ministerstvo průmyslu a obchodu
• Státní fond životního prostředí
• EkoWATT
• OPET
• Energetika.cz
• OZE
• TZB-info : Úspory energie
• TZB-info : Obnovitelné zdroje
• Energy consulting
• EkoList po drátě : Zelená domácnost
• Liga ekologických alternativ
• BIOM on line
• VÚKOZ - oddělení fytoenergetiky
• Eurosolar
• Sdružení Calla
• Atlas obnovitelných zdrojů energie
• EnergyWeb
• Energetické centrum Hostětín
• Instalace slunečního kolektoru
• Databáze firem a proj. EPC a EC
• Centrum pasivního domu

• Rekuperace tepla a slunce

Kombinovaná výroba elektřiny a tepla

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie (neboli "kogenerace" z anglického "co-generation"), je účinným způsobem využívání energie. Principem kogenerace je využít teplo, které jinak při výrobě elektřiny odchází bez užitku.

Při výrobě elektřiny ve velkých tepelných (uhelných a jaderných) elektrárnách se využije cca 30 % (u starých) a až 42 % (u moderních) energie obsažené v palivu; zbytek se bez užitku odvádí do vzduchu chladicími věžemi. Na druhou stranu u nás existují tisíce městských výtopen a větších kotelen, které z uhlí vyrábějí pouze teplo, ačkoli by mohly produkovat i elektřinu.

V teplárnách a jiných kogeneračních zařízeních, kde se teplo využívá, je spotřeba neobnovitelných fosilních paliv nižší. Tomu odpovídá i snížení emisí škodlivin ze zdrojů energie v globálním měřítku. Kromě významného faktoru decentralizace výroby elektřiny vede použití kombinované výroby elektřiny a tepla ke snížení ztrát v elektrorozvodné síti a k vyšší bezpečnosti dodávek - výpadek jednoho zdroje nemá větší vliv.

Velká kogenerační zařízení

Lze se s nimi setkat hlavně v městských teplárnách a podnikových zařízeních. Jejich výkon je ve stovkách kW až několika MW.

Kogenerační jednotka se spalovací turbínou se skládá ze soustrojí spalovací turbína - alternátor vyrábějícího elektřinu a spalinového kotle. Spaliny z turbíny jsou přiváděny do spalinového kotle k výrobě tepla ve formě páry nebo horké resp. teplé vody. Při požadavku na zvýšení tepelného výkonu spalinového kotle je instalován tzv. dohořívací (přihřívací) hořák na zemní plyn (hořák používající jako okysličovadlo spaliny ze spalovací turbíny). Ten je vřazen do spalin proudících z turbíny do kotle a zvyšuje teplotu spalin přicházejících z turbíny (cca 450 - 600 °C) na maximální teplotu 900 °C. Hlavní výhodou kogeneračních jednotek se spalovacími turbínami proti kogeneračním jednotkám se spalovacími motory je možnost volby média, kterým je odváděno teplo ze spalinového kotle. Kogenerační jednotky se spalovacími turbínami se dodávají o elektrickém výkonu v rozsahu od cca 1 MW do 200 MW.

Stupeň konverze energie obsažené v primárním palivu na elektřinu je oproti parní kogeneraci podstatně vyšší cca 23 - 41 %, účinnost výroby tepla je cca 35 - 57 %. Celková účinnost využití energie v palivu činí cca 68 - 90 %. Cenou za vyšší podíl vyráběné el. energie je ale nutnost spalování plynného paliva, tzn. ve většině případů drahý zemní plyn.

Parní kombinovaná výroba elektřiny a tepla se provádí prostřednictvím páry vyrobené v parním kotli pomocí fosilních či nefosilních paliv (např. hnědé uhlí, biomasa). Pára se přivádí do parního motoru, protitlaké nebo kondenzační odběrové parní turbíny, kterými se pohání generátor elektrické energie. Teplo ve formě páry, jejíž tlak odpovídá konstrukci stroje nebo požadované teplotní úrovni tepelné energie, se odebírá z výfuku parního stroje, z protitlaku (odběru) parní turbíny.

Pro nižší elektrické výkony (cca 50 kW - 15 MW) jsou dodávána soustrojí s protitlakými turbínami axiálními nebo radiálními (pro vyšší výkony pouze s turbínami axiálními), které pohání přes převodovku alternátor. Z hlediska dosahované termodynamické účinnosti jsou výhodné moderní rychloběžné radiální turbíny jednostupňové nebo dvoustupňové s malou měrnou hmotností a krátkou dobou najíždění. Turbíny axiální i radiální jsou v uvedeném výkonovém rozsahu konstruované pro vstupní / výstupní tlak páry 0,9-6,5/0,1- 0,7 MPa a teplotu páry 200-450 °C. Regulace elektrického výkonu soustrojí je zajištěna regulačním ventilem na přívodu páry do turbíny, případně navíc natáčivými statorovými lopatkami.

Celková účinnost využití energie obsažené v primárním palivu je cca 77-87 %, přičemž dominantní je účinnost výroby tepla (v závislosti na tlaku před a za turbínou cca 62-76 %). Účinnost výroby elektřiny se pohybuje mezi 8-20 %. Stupeň zhodnocení primárního paliva na elektřinu je tedy nízký. Oproti plynové kombinované výrobě elektřiny a tepla je však výhodou možnost spalování levného paliva (uhlí) nebo obnovitelného paliva - biomasy.

Paroplynová kombinovaná výroba elektřiny a tepla je snahou o maximální podíl výroby elektřiny, což je zajištěno kombinací dvou turbosoustrojí se spalovací a parní turbínou.

Kogenerační jednotky v čistírně odpadních vod, výkon 2x 520 kW_e palivo bioplyn a zemní plyn (zdroj: Motorgas, s.r.o.).

Pára, která se vyrábí ve spalinovém kotli odpadním teplem ze spalovací turbíny, pohání soustrojí s parní turbínou. Někdy se část vyrobené páry vstřikuje do spalovací komory spalovací turbíny. Teplo se získává ze spalin spalovací turbíny a z protitlaku (odběru) parní turbiny. Ojediněle se vyskytuje i kombinace parní turbíny se spalovacím motorem.

Jinými slovy pára vyrobená v kotli využitím tepla spalin ze spalovací turbíny pohání ještě parní turbínu. Poměrem dodávky paliva do spalovací komory turbíny a spalinového kotle je potom dán poměr výkonu spalovací a parní turbíny. U větších instalací se obvykle používá dvoutlakového spalinového kotle a tomu odpovídající dvoutlakové parní turbíny. Poměr elektrických výkonů turbosoustrojí se spalovací a parní turbínou je většinou přibližně 3:1 až 4:1.

Podstatou tohoto typu kombinované výroby tepla a elektrické energie je dosažení maximálního podílu výroby elektrické energie, který může přesáhnout až 44 % z přivedeného tepla v palivu. Jinak v paroplynovém cyklu platí stejné možnosti a omezení jako u cyklu plynového.

Malé kogenerační jednotky

Běžné kogenerační jednotky mají obvykle relativně malý výkon, desítky až stovky kW elektrického výkonu. Jejich základní částí je obvykle pístový spalovací motor, který pohání generátor proudu. Palivem je nejčastěji zemní plyn, někdy bioplyn nebo skládkový plyn. Palivem může být i dřevoplyn, získávaný v generátoru dřevoplynu.

Kogenerační jednotka se spalovacím motorem se skládá ze zážehového spalovacího motoru pohánějícího přímo alternátor vyrábějící elektřinu a výměníků pro využití odpadního tepla z motoru. Odpadní teplo z motoru je odváděno pomocí dvou výměníků na dvou teplotních úrovních. První výměník odvádí teplo z bloku motoru a z oleje na úrovni cca 80 - 90 °C. Druhý výměník odvádí teplo z odcházejících výfukových spalin o teplotě cca 400 - 500 °C. Výměníky jsou z hlediska průtoku teplonosného média zapojeny do série. Obvykle jsou kogenerační jednotky koncipovány pro dodávku tepla do teplovodního systému 90/70 °C, méně již do systému 110/85 °C resp. 130/90 °C. Kogenerační jednotky se zážehovými spalovacími motory se dodávají o el. výkonech v rozsahu od cca 20 kW do 5000 kW. Na trhu bohužel chybí nejmenší zařízení pro rodinné domky, s tepelným výkonem 5 -10 kW.

Palivové články

Kombinovaná výroba elektřiny a tepla palivovými články je založena na principu chemické reakce plynu s okysličovadlem v tzv. palivovém článku tvořeném vhodnými elektrodami a elektrolytem. Palivo a okysličovadlo se na katalytickém povrchu elektrod ionizují, ionty jsou vedeny elektrolytem k druhé elektrodě a uvolněné elektrony vytvářejí elektrický proud. Tato přímá přeměna energie chemicky vázané v palivu na energii elektrickou není limitována stejnými termodynamickými principy jako ve spalovacích motorech (Carnotův cyklus) a umožňuje tak dosažení vyšší účinnosti. Dalšími výhodami jsou téměř bezhlučný provoz a minimální či nulové emise škodlivin.

Nejvhodnějším palivem je vodík, který se však obtížně získává, transportuje a skladuje. Proto existují i články, spalující zemní plyn nebo jiný uhlovodíkový plyn. Okysličovadlem je vždy vzduch.

Produktem reakce je voda, neboť se jedná se o proces inverzní k elektrolýze vody. V palivovém článku je vyráběn stejnosměrný elektrický proud, pro dodávku vyrobené elektřiny do sítě je tedy nutnou součástí střídač.

Palivové články jsou však pro komerční využití stále příliš drahé.

Použití

Z technického hlediska lze kogenerační jednotkou nahradit jakýkoli zdroj tepla (kotel) srovnatelného výkonu. Aby však byla instalace kogenerační jednotky ekonomicky výhodná, je potřeba, aby během roku běžela co nejvíce hodin. Proto bude pracovat nejefektivněji tam, kde je celoročně stálý odběr tepla. Takovým místem mohou být ubytovací zařízení (hotely, penzióny, internáty), bazény, nemocnice, obecní a městské výtopny, sídlištní blokové kotelny a různé průmyslové podniky. Ve větších zařízeních může být kogenerační jednotka jen základním zdrojem tepla, který bude během zimních špiček doplněn běžným kotlem.

Velikost kogenerační jednotky se nejčastěji odvozuje od spotřeby tepla v daném subjektu. Kogenerační jednotka může pokrývat základní spotřebu tepla, špičky pak pokrývá jiný zdroj, např. plynový kotel. Jinou možností však je volba výkonnější jednotky v kombinaci s akumulací tepla. Pak se kogenerační jednotka uvádí do provozu tak, aby dodávala proud v době, kdy je nejvýhodnější tarif výkupních cen elektřiny.

Pokrytí roční spotřeby tepla třemi kogeneračními jednotkami a špičkovacím kotlem.

Vyrobenou elektřinu je možno spotřebovat přímo v objektu, nebo ji prodat do sítě. První způsob je obvykle výhodnější, vzhledem k prodejním a výkupním cenám elektřiny. Je také možné, aby kogenerační jednotka byla jediným zdrojem elektřiny v objektu. V tomto tzv. ostrovním provozu, bez připojení na síť, vzrůstají náklady na regulaci.

Pro návrh kogenerační jednotky je vhodné znát:

• denní a roční harmonogram spotřeby tepla a elektřiny
• druh požadovaného teplonosného média,
• dostupnost jednotlivých paliv,
• stávající instalovaný výkon kotlů a jejich teplotní a tlakové parametry.

Ekonomika provozu

Tam, kde má kogenerační jednotka doplnit nebo nahradit stávající zdroj tepla (kotel), bývá rozhodujícím parametrem krytí vlastní spotřeby elektřiny. Kogenerační jednotka spotřebuje na výrobu jedné kWh elektřiny zemní plyn v ceně cca 2,50 Kč/kWh, servisní náklady jsou cca 0,40 až 0,60 Kč/kWh. Je-li cena elektřiny ze sítě vyšší než 3 Kč/kWh, je už výhodné provozovat kogenerační jednotku pro krytí vlastní potřeby a teplo navíc je "zdarma". Větším odběratelům elektřiny, kteří platí za připojený elektrický příkon a špičkový odběr, může kogenerační jednotka tyto platby výrazně snížit.

Elektřinu z kogenerační jednotky je také možné prodat do veřejné sítě. Provozovatel distribuční soustavy (regionální energetický podnik) je povinen tuto elektřinu vykoupit, jsou-li dodrženy technické podmínky. Výši výkupní ceny předepisuje Energetický regulační úřad (ERÚ), je však možné dohodnout individuálně cenu jinou, zejména pro dodávky ve špičce.

Někteří dodavatelé zemního plynu nabízejí pro kogenerační jednotky speciální ceny plynu.

Pokud je palivem bioplyn, dřevoplyn nebo jiný druh biomasy, může být ekonomicky výhodnější elektřinu prodat do sítě. I zde je výkup povinný a ceny určuje ERÚ.

Kogenerační jednotka ve venkovním prostředí na skládce Uhy, výkon 350 kW_e, palivo skládkový plyn (zdroj: Motorgas, s.r.o.).

Pro výstavbu kogeneračních jednotek využívajících obnovitelné zdroje energie lze také získat i dotace z různých zdrojů, zejména strukturálních fondů EU, dále České energetické agentury a Státního fondu životního prostředí.

Rozhodnutí o instalaci kogenerační jednotky však musí předcházet pečlivý ekonomický rozbor jejího provozu. V neposlední řadě závisí možnost použití i na způsobu financování stavby (výše úvěru, úroků, doba splatnosti).

Legislativa

Ačkoli podle platného energetického zákona je možno prodávat jak vyrobené teplo tak elektřinu, v praxi je velmi obtížné splnit technické požadavky správce tepelné sítě. Proto se kogenerační jednotka navrhuje tak, aby veškeré teplo spotřeboval provozovatel. Elektřinu pak může podle potřeby buď spotřebovat sám, nebo ji prodávat do sítě.

Prototyp malé plynové kogenerační jednotky se Stirlingovým motorem.

Pokud chceme elektřinu, případně teplo prodávat, je nutné získat licenci pro podnikání v energetice, kterou vydává ERÚ (licence nahrazuje živnostenský list).

Komerčně dostupné kogenerační jednotky splňují příslušné bezpečnostní a emisní parametry, takže jejich instalace je z tohoto hlediska bez problémů. Vzhledem k poněkud hlučnějšímu provozu je třeba při stavebním řízení prokázat, že okolí nebude obtěžováno nadměrným hlukem. Podle hygienických předpisů MZ ČR, vyhláška 13/1977 Sb., je nejvyšší přípustná hladina hluku ve venkovním prostoru na obytném území příměstském u menších sídelních útvarů ve dne 50 dB a v noci 40 dB. Tyto hodnoty lze při instalaci kogenerační jednotky s protihlukovým krytem dodržet.

Použitá a doporučená literatura