18.05.2012 | 08:05
Autor:
Kategorie:
Štítky:

Využití tepla z kogenerační jednotky

Podle Národního akčního plánu pro obnovitelné zdroje (NAP) by v roce 2020 měly být v ČR v provozu bioplynové stanice o celkovém instalovaném výkonu 417 MWe a vyrábět kolem 3000 GWhe ročně, tedy asi dvaapůlnásobek současné hodnoty. Tyto stanice navíc ročně vyprodukují asi 8500 TJ tepla.

Tepelná energie z bioplynových stanic (BPS) je a bude územně rozptýlená a z důvodu umístění stanice často obtížně přenosná. Přesto je třeba uvažovat o celkové strategii jejího využití.

Požadavek úřadu 

Cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu České republiky (ERÚ) stanoví podmínku využití tepla z BPS takto: „U bioplynových stanic kategorie AF 1 uvedených do provozu po 1. lednu 2012 včetně je podmínkou pro poskytnutí podpory výroba a efektivní využití vyrobené tepelné energie minimálně v úrovni 10 % vůči vyrobené elektřině v daném roce, s výjimkou elektřiny pro technologickou vlastní spotřebu elektřiny a tepla.“
Stanovisko ERÚ z března 2012 předkládá výklad, jaké způsoby využití tepla jsou považovány za efektivní a jakým způsobem bude prováděna kontrola. A jaké jsou v tomto směru možnosti?

Spotřeba na provoz 

Spotřeba tepla na technologické procesy v BPS zahrnuje ohřev substrátu a krytí tepelných ztrát pláštěm fermentoru. Pro výpočet spotřeby tepla na ohřev substrátu je uvažováno množství vstupní hmoty ředěné asi na 10% obsah sušiny. Tento materiál je ohříván z průměrné teploty uskladněného substrátu v dané lokalitě asi na 40 °C. Spotřeba tepla na vlastní technologii BPS se pohybuje v rozmezí 10 až 25 procent celkové produkce využitelného tepla v kogenerační jednotce.

Centralizované zásobování
 
Pro dodávku tepelné energie pro centralizované zásobování teplem (CZT) je zásadním faktorem dosažitelnost odběrného místa s dostatečnou spotřebou energie a vhodným odběrovým diagramem. Nejvýhodnější je vždy dodávka energie do centrální kotelny již existujícího systému CZT.
Alternativní možností je místo teplovodu vybudovat rozvody bio­plynu. Kogenerační jednotka bude instalována co nejblíže odběrného místa a bioplyn bude přiveden přímo k jednotce. Nevýhodou je nutnost instalace dvou jednotek: jedné u odběrného místa a druhé u BPS pro zajištění technologického tepla. Kogenerační jednotka může být zapojena tak, aby umožňovala předehřev vratné topné vody, což umožňuje využít veškeré dodané teplo.
Jedním z příkladů fungujícího systému zásobování teplem z BPS je vytápění celého sídliště v Jaroměři. Provozovatel bioplynové stanice o výkonu 1,4 MW vybudoval teplovod o délce zhruba 2 km nákladem zhruba 12 mil. Kč. Sídliště spotřebuje kolem 20 000 GJ tepla ročně. Téměř veškerou tuto potřebu pokrývá teplo z BPS, původní plynové kotle jsou uchovány jako rezerva a doplňkový zdroj v případě extrémních mrazů. Konečná cena tepla byla v roce 2011 přibližně 480 Kč/GJ.

Využití v zemědělských areálech
 
Kogenerační jednotka je zapojena jako hlavní zdroj tepla, pokrývající převážnou část či veškerou potřebu tepelné energie. Teplotní spád takto zapojeného systému odpovídá teplotnímu spádu na výměnících kogenerační jednotky (obvykle 90/70 °C). Teplo je obvykle využito k vytápění a přípravě teplé vody v administrativních budovách, v halách pro chov zvířat, v dílenských provozech, skladech, k sušení materiálů a k vytápění skleníků.
1. Teplo k sušení
Teplo z kogenerační jednotky je možné využít pro přímý ohřev sušicího média či pro jeho předehřev a následný dohřev jiným zdrojem tepla. Teplo z BPS je využitelné ve většině používaných typů sušáren (při dodržení všech norem a předpisů). Ne vždy je ale možno využít veškeré disponibilní teplo z kogenerační jednotky. Nejčastější využití je: 
– Sušení produktů
Sušení produktů rostlinné výroby závisí na jejich druhu a době sklizně a obvykle probíhá od července do listopadu. Při zajištění dostatečných skladovacích kapacit je možné zajistit i kontinuální celoroční provoz sušárny. Nejčastěji jsou sušeny ječmen, řepka, pšenice, kukuřice, senáž, mláto a další. Dostatek tepla je možné využít i k sušení sena: středotlaký ventilátor vhání teplo z bioplynové stanice do kanálu pod objektem sušárny.
Při návrhu sušárny je důležité správně stanovit disponibilní výkon kogenerační jednotky v jednotlivých měsících. Uskladněním komodit určených k sušení je možné optimalizovat, prodloužit provoz sušárny a ovlivnit návrh výkonu. Někteří dodavatelé požadují maximální vstupní vlhkost surovin kolem 50 %, výstupní vlhkost bývá požadována mezi 10–25 %. 
– Sušení digestátu
Digestát z BPS lze sušit buď přímo, nebo po separaci. Používají pásové sušárny pro různé výkonové velikosti bioplynových stanic: pracují s teplotou 80–20 °C. 
Separát je po sušení možné po­užít jako hnojivo, nebo na výrobu pelet či briket. Obvykle se požaduje konečná vlhkost v rozmezí 10–5 %, z energetického hlediska je ale výhodné udržovat podíl sušiny kolem 88 %, aby se materiál nepřesoušel a byl stabilizován pro skladování. Přímým sušením lze usušit pouze část digestátu, na usušení celého množství není množství tepla dostatečné. 
– Sušení dřeva
Při sušení dřeva se do hráně řeziva v sušárně přivádí ventilátorem teplý vzduch o teplotě až do 100 °C. Sušení kusového dřeva je logisticky a provozně náročnější než sušení plodin zemědělské výroby a na rozdíl od sypkých materiálů nelze použít kontinuální provoz. Obvyklým typem sušáren v aplikacích na BPS jsou sušárny komorové, v nichž probíhá sušení v opakovaných cyklech. Tento proces je logisticky náročný a neumožňuje rovnoměrný kontinuální odběr tepla z bioplynové stanice.
Důležitým faktorem při návrhu sušáren řeziva je průzkum dostupnosti dostatečného množství řeziva k sušení. Je-li dostatek materiálu, je možné možné vy­užít téměř veškeré disponibilní teplo z kogenerační jednotky. Vyyužít celých 100 % ale není technicky možné. 
– Sušení štěpky
Výhodou sušení dřevní štěpky (nebo pilin) je možnost celoročního sušení. Požadavek na nízký obsah výstupní vlhkosti (7 až 20 %), a tedy vysoké odsušky vlhkosti (až 50 %), zvyšuje energetickou náročnost sušení vztaženou na jednotku objemu. Jde často o energeticky náročnější proces než u zemědělských komodit.
Vysušené materiály je možné využít k výrobě pelet. Technologie peletování z rostlinné biomasy je v podstatě shodná s technologií využívanou u výroby dřevních pelet. Některé rostliny mají vhodnou vlhkost do 15 % již při sklizni a není je tedy nutné dále dosoušet, ostatní je nutné sušit.
2. Vytápění skleníků
Pro vytápění skleníků teplem z BPS se principiálně nabízejí dva způsoby. Prvním je instalace teplovzdušných jednotek s výměníkem voda-vzduch. Výhodou je rovnoměrné rozložení teploty v celém objemu a použitelnost ve všech druzích skleníků. Druhý způsob je instalace teplovodního otopného systému (stropní, stěnové, podlahové, radiátorové). Použitelnost tohoto systému závisí na konkrétních podmínkách. Výhodou je nižší spotřeba elektrické energie oproti teplovzdušnému systému.
Zajímavou skleníkovou aplikací, prozatím využívanou zejména v Nizozemsku, je využití emisí CO2 vznikajících při spalování plynu v kogeneračních jednotkách. Rostliny jej využívají jako zdroj uhlíku.

Průmyslové využití 

Teplo z kogenerační jednotky BPS je možno využít i v průmyslu, a to nikoli jen pro vytápění provozních budov nebo temperování hal. Dobré podmínky jsou např. v potravinářském, chemickém, textilním nebo papírenském průmyslu. Uplatnění je i v procesech čištění a mytí, sušení, předehřevu technologické vody pro parní systémy nebo ohřevu technologické vody v průmyslových lázních a vanách.
Teplo z kogenerace může být naopak i zdrojem pro výrobu chladu. Přeměna tepla v chlad je možná dvěma způsoby – absorpcí a adsorpcí. Rozdíl spočívá v dosažitelné teplotě chladiva a v potřebné teplotě topné vody (zdroje tepla).
Výhodou absorpčního chlazení je nízká potřeba údržby (pouze oběhové čerpadlo okruhu pracovní látky), malá spotřeba elektřiny a použití ekologického chladiva v porovnání s kompresorovým chlazením. Absorpční chlazení lze využít pro chlazení, případně klimatizaci v budovách, obchodních centrech, nemocnicích, chladírnách ovoce a zeleniny, pro chlazení mléka, skladů potravin a v průmyslových provozech.

Generátor s ORC 

Organický Rankinův cyklus (ORC) je modifikací elektrárenského Rankin-Clausiova cyklu, od kterého se liší typem pracovního média. Namísto vodní páry pohánějící turbínu se zde používá organická kapalina s nižší teplotou vypařování při stejných pracovních tlacích.
V případě pístového motoru je jako výparník, v němž je předána energie primárnímu okruhu, využit nejčastěji spalinový výměník. Minimální parametry vstupního média jsou podle výrobce ORC jednotky a druhu média v rozmezí 88 až 135 °C. Velikost ORC jednotek využitelných pro tyto účely se pohybuje v rozmezí asi 10–200 kWe. Celkový tepelný výkon kogenerační jednotky potřebný k provozu ORC je asi 7–15 kWt/kWe výkonu ORC.
ORC zařízení předpokládá připojení na spalinový výměník kogenerační jednotky a její roční využití ORC jednotky může být za ideálních podmínek rovno ročnímu využití kogenerační jednotky, tedy až 8500 hodin.
Shrnutí a závěr 

Každý provozovatel BPS je motivován ke zvyšování efektivnosti, a to jak na straně optimalizace vlastní technologické spotřeby, tak na straně využití produkce tepla.
Jde o vytápění jednotlivých objektů v rámci zemědělského areálu, nebo dodávku tepla třetím osobám. Alternativou je vedení bioplynu a produkce tepla až v místě odběru. V místech s obtížnou dodávkou do místních teplovodů se nabízí sušení zemědělských plodin, případně sušení koncového produktu fermentačního procesu (separátu), dřeva, resp. jiné biomasy. Praktický potenciál může mít i vytápění skleníků s využitím produkovaného CO2, průmyslové využití tepla, absorpční chlazení nebo využití tepla pomocí ORC turbíny.
Využití tepla z BPS je u nás podpořeno cenovým rozhodnutím ERÚ a například v Německu je vyžadováno novelou zákona. Z hlediska požadavků na hospodaření s energií jde o přirozenou a logickou podmínku a lze předpokládat, že trh tímto dostane nový impulz a přibydou nové inspirativní a inovativní projekty.

 

Klíčové informace

– Výkupní cena elektřiny pro BPS je již podmíněna využitím části vyrobeného tepla.
– Prodej tepla bude stále významnější i z hlediska efektivnosti provozu stanice.
– Reálné možnosti dodávky tepla do okolí stanice je třeba stanovit již v projektu
.

(Článek je zpracován v rámci projektu Klastr bioplyn.)

Ing. Miroslav Šafařík, Ph.D., a kol.
PORSENNA, o. p. s.

Napsat komentář

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

deník / newsletter

Odesláním souhlasíte se zpracováním osobních údajů za účelem zasílání obchodních sdělení.
Copyright © 2022 ČTK. Profi Press, s.r.o. využívá zpravodajství z databází ČTK, jejichž obsah je chráněn autorským zákonem. Přepis, šíření či další zpřístupňování tohoto obsahu či jeho části veřejnosti, a to jakýmkoliv způsobem, je bez předchozího souhlasu ČTK výslovně zakázáno.
crossmenuchevron-down