Spotreba energie predstavuje významnú nákladovú položku pri podnikaní podnikateľských subjektov a takisto aj pre domácnosti. V súčasnosti trh ponúka viacero možností efektívneho využívania energie prostredníctvom moderných technológií využívajúcich na spaľovanie zemný plyn.
Úvod do kombinovanej výroby tepla a elektriny (Kogenerácia)
Kogenerácia je moderná technológia založená na princípe združenej výroby tepla a elektrickej energie. Kogeneračné jednotky, označované aj skratkou CHP (Combined Heat and Power), patria medzi najefektívnejšie energetické technológie súčasnosti. Umožňujú súčasnú výrobu elektrickej energie a tepla v jednom zariadení, čím výrazne zvyšujú energetickú účinnosť a znižujú straty. Vďaka tomu sú ideálnym riešením pre priemyselné podniky, nemocnice, hotely, obytné komplexy či teplárne, ktoré potrebujú elektrinu aj teplo zároveň. Už dlho sa úspešne presadzuje vo vyspelých krajinách západnej Európy a predstavuje nezanedbateľný podiel na celkovej výrobe energií, napríklad v Holandsku, Nemecku alebo škandinávskych krajinách.
Výhody zemného plynu ako paliva pre kogeneráciu
Zemný plyn (ďalej len „ZP“) prestal byť vnímaný výlučne ako konvenčné palivo pre prípravu tepla a teplej vody. V súčasnosti predstavuje kľúčový energetický nosič pre implementáciu moderných a vysoko účinných technológií. Ponúkajú nielen ekonomické benefity, ale aj výrazne nižšiu environmentálnu záťaž v porovnaní s tuhými palivami. Z pohľadu koncového odberateľa je zemný plyn komfortné palivo. V porovnaní s tuhými palivami ho nie je potrebné skladovať, zabezpečovať jeho logistiku, starať sa o jeho kvalitu, či zbavovať sa prachu a odpadu. Vzhľadom na vysokú plynofikovanosť Slovenskej republiky je veľkou výhodou kogenerácie dostupnosť zemného plynu takmer kdekoľvek a kedykoľvek na celom území. Prioritou každého subjektu je získavať energiu bezpečne, spoľahlivo a efektívne.
Princíp fungovania kogenerácie
Pri výrobe elektriny vzniká aj teplo. V centrálnych elektrárňach sa toto teplo stráca ako odpadové teplo a zvyčajne sa musí aj chladiť ďalšou energiou. Na druhej strane, pri princípe kombinovanej výroby elektriny a tepla (KVET) sa odpadové teplo využíva na vykurovanie a prípravu teplej vody. Základným princípom je maximálne využitie energie obsiahnutej v palive. Kogeneračný systém premieňa chemickú energiu paliva (napr. zemný plyn, bioplyn, LPG, motorová nafta alebo biomasa) na mechanickú energiu pomocou spaľovacieho motora alebo turbíny. Počas spaľovania vzniká teplo, ktoré sa zachytáva z výfukových plynov, chladiacej vody a oleja - a ďalej sa využíva.
Takto funguje kogenerácia
V kogeneračnej jednotke poháňa spaľovací motor poháňaný plynom generátor na výrobu elektrickej energie. Celý systém výroby elektrickej energie v plynových motoroch je založený na princípe premeny tepelnej energie na mechanickú prácu a následne prostredníctvom generátora na elektrickú energiu. Palivo sa privedie do spaľovacieho motora, kde dôjde k jej premene na tepelnú energiu a jej časť (približne 30% - 40%) sa premení na mechanickú energiu. Generátor (synchrónny, alebo asynchrónny) vygeneruje elektrickú energiu, ktorá sa prostredníctvom transformátora ďalej využije priamo na mieste, alebo sa predá do rozvodnej elektrickej siete. Zvyšná využiteľná časť tepelnej energie (50% - 60%) sa za pomoci sústavy výmenníkov využije na ohrev vody, resp. iného technologicky vhodného média.
Spaľovaciemu motoru sa dodáva zemný plyn a spaľovací vzduch z priestoru. Táto energia sa v motore premieňa na mechanickú. Synchrónny generátor je poháňaný cez mechanickú spojku. Popri tom vzniká značné množstvo tepla, ktoré je z chladiaceho okruhu motora/turbíny a z horúcich spalín rekuperované a odovzdávané do vykurovacieho systému. Takto sa celková účinnosť premeny primárnej energie v palive na užitočné formy energie (elektrina a teplo) zvyšuje na 85-95 %.
Kogeneračné jednotky sú hydraulicky zapojené do vratného potrubia primárneho okruhu a slúžia ako predohrev vykurovacej vody pre kotly centrálneho tepelného zdroja. Výfukové plyny sú odvádzané do 13 m vysokých komínov cez špeciálne tlmiče hluku, ktoré zabezpečia aby úroveň hluku šíreného do okolia nepresiahlo predpísané hygienické normy. Z dôvodu zníženia hlučnosti na nasávacích otvoroch vzduchu sú namontované lamelové tlmiče hluku. Pre maximálne využitie tepla, ktoré uniká do priestoru okolo kogeneračných jednotiek je inštalovaná vzduchotechnika pre ohrev miestnosti centrálnej kotolne.
Typy kogeneračných technológií na báze zemného plynu
Kogenerácia je flexibilná technológia, ktorá sa realizuje prostredníctvom viacerých špecifických riešení. V závislosti od potrieb a rozsahu projektu sa využívajú rôzne typy kogeneračných jednotiek:
-
Kogenerácia na báze plynových motorov
Ide o piestové spaľovacie motory optimalizované pre dlhodobú prevádzku. Je to najrozšírenejšia technológia v rozsahu výkonov od desiatok kW do desiatok MW.
-
Paroplynové cykly (PPC)
PPC sú kombináciou plynovej turbíny (Braytonov cyklus) a parnej turbíny (Rankinov cyklus). Horúce spaliny z plynovej turbíny sa využívajú na výrobu pary v spalinovom kotly, ktorá následne poháňa parnú turbínu. Táto kaskáda umožňuje dosiahnuť najvyššiu elektrickú účinnosť (až 60 %) a využíva sa vo veľkých elektrárňach a teplárňach.
-
Plynové mikroturbíny
Mikroturbíny sú kompaktné vysokootáčkové (až 100 000 ot./min) radiálne turbíny s výkonom do 100 kW. Spaľovanie prebieha mimo motora, plynule a pri atmosférickom tlaku, čo zaručuje extrémne tichú prevádzku a nízke emisie. Hoci elektrická účinnosť je nižšia (cca 20 %), celková účinnosť dosahuje až 96 %.
-
Mikrokogenerácia so Stirlingovým motorom
Tepelný motor s externým prívodom tepla a uzavretým regeneratívnym termodynamickým cyklom. Spaľovanie prebieha mimo motora, plynule a pri atmosférickom tlaku, čo zaručuje extrémne tichú prevádzku a nízke emisie. Hoci elektrická účinnosť je nižšia (cca 20 %), celková účinnosť dosahuje až 96 %.
-
Palivové články
Palivové články predstavujú technologickú špičku v oblasti energetickej konverzie. Ich princípom je elektrochemická reakcia: vodík je privádzaný na anódu palivového článku, kde je katalyticky štiepený na protóny (H⁺) a elektróny (e⁻). Iónovo vodivá membrána (elektrolyt) umožňuje prechod iba protónom ku katóde. Elektróny sú nútené putovať vonkajším elektrickým obvodom, čím vytvárajú jednosmerný elektrický prúd. Na katóde sa protóny, elektróny a kyslík zo vzduchu zlučujú a jediným produktom reakcie je voda (H₂O). Tento proces priamej premeny energie dosahuje veľmi vysokú účinnosť a prebieha takmer bezhlučne. Dosahujú najvyššiu elektrickú účinnosť, ktorá sa pohybuje v rozsahu 60-70 %, čo je výrazne viac ako pri technológiách založených na spaľovaní.
Pre lepšiu prehľadnosť sú účinnosti rôznych kogeneračných technológií zhrnuté v nasledujúcej tabuľke:
| Technológia | Elektrická účinnosť | Celková účinnosť (elektrina + teplo) |
|---|---|---|
| Kogenerácia na báze plynových motorov | 30 - 45 % | 85 - 95 % (všeobecne pre kogeneráciu) |
| Paroplynové cykly (PPC) | až 60 % | veľmi vysoká |
| Plynové mikroturbíny / Stirlingove motory | cca 20 % | až 96 % |
| Palivové články | 60 - 70 % | veľmi vysoká |
Vplyv kogenerácie na životné prostredie a energetickú nezávislosť
Kogenerácia patrí medzi energeticky najefektívnejšie technológie. Kogenerácia umožňuje významne znížiť náklady na primárne energie. Vďaka vyššej účinnosti premeny energie v palive na tepelnú a elektrickú energiu dochádza k šetreniu primárnej energie v porovnaní s oddelenou výrobou tepla a elektriny až o 40 %. Priamym dôsledkom šetrenia primárneho paliva je pokles emisií, ktoré vznikajú pri horení.
Okrem úspor má kogenerácia aj významný vzťah k životnému prostrediu. Kogenerácia spaľuje zemný plyn. Moderné spôsoby odstraňovania škodlivín (zo spalín) držia emisie ako NOx, CO, CO2, SO2 na veľmi nízkych úrovniach. Napríklad v porovnaní s hnedým uhlím sa pri spaľovaní zemného plynu produkuje na 1 MJ tepla o 41 % menej oxidu uhličitého a o 99 % menej tuhých znečisťujúcich látok. Plynom poháňané kogeneračné jednotky s katalyzátorom, v porovnaní s uhoľnými elektrárňami, resp. s elektrárňami, v ktorých sa spaľuje vykurovací olej, a výroba tepla v spaľovacích kotloch, vyprodukujú výrazne nižšie emisie. To je možné docieliť (spaľovací motor) sériovo zapojeným trojcestným katalyzátorom s Lambda sondou. So systémom kombinovanej výroby tepla a elektrickej energie ušetríte až 40 percent energie, výrazne znížite emisie CO₂, a tým významne prispejete k ochrane klímy.
Okrem týchto výhod môže byť kogenerácia označovaná aj ako lokálny energetický zdroj. Zákazník si teda môže optimalizovať spotrebu energie podľa svojich aktuálnych požiadaviek a nemusí znášať prenosové straty. Keďže sa energia vyrába tam a vtedy, keď je skutočne potrebná, pri prenose energie nevznikajú žiadne straty. V súvislosti s prechodom na novú energetiku a rastúcimi cenami elektrickej energie je decentralizovaná výroba elektrickej energie čoraz dôležitejšia. Keďže sa tak deje lokálne a energia sa vyrába na mieste, znižuje sa tým aj tlak na rozvodné siete. Kogeneračné jednotky umožňujú väčšiu nezávislosť od energetických podnikov a ich rastúcich cien elektrickej energie. Ak vyrobenú energiu spotrebujete, bude vás stáť len približne tretinu bežnej sadzby za elektrinu. So systémom kombinovanej výroby tepla a elektrickej energie ušetríte až 40 percent energie, výrazne znížite emisie CO₂, a tým významne prispejete k ochrane klímy. Získajte väčšiu nezávislosť od externých dodávateľov energie a rastúcich cien s týmto inovatívnym spôsobom výroby energie.
Ekonomické aspekty a dimenzovanie kogeneračných jednotiek
Hlavným kritériom zákazníka pri optimalizácii energetického hospodárstva sú náklady. Kogenerácia umožňuje významne znížiť náklady na primárne energie. V prípadoch, kedy je potreba stabilnej dodávky tepla sa ako ekonomicky výhodné riešenie potvrdzuje spojenie výroby tepla a elektrickej energie v kogeneračnej jednotke na báze zemného plynu. Cieľom modelového príkladu je ukázať ekonomický výpočet inštalácie kogeneračnej jednotky využívajúcej spaľovacie motory s palivom zemný plyn s celkovým tepelným inštalovaným výkonom do 2,4 MW a jej návratnosť, berúc do úvahy investičné a prevádzkové náklady.
Dimenzovanie podľa potreby tepla
Aby bolo používanie kogeneračnej jednotky ekonomicky rentabilné, zariadenie by malo pracovať nepretržite čo najdlhšie. Čím dlhšie môže kogeneračná jednotka reálne prenášať teplo a energiu do systému, tým skôr sa oplatí. Pokiaľ ide o dimenzovanie, okrem niektorých výnimiek (napríklad núdzové napájanie) sa pozornosť sústreďuje na teplo. Ak sa pozrieme na to, ako je ročný výkon vykurovania zvyčajne rozložený na obdobie 12 mesiacov (trvalá ročná krivka), je jasné, že kogeneračná jednotka by nemala byť predimenzovaná. Na strane vykurovania pracuje kogeneračná jednotka paralelne s kotlom. Na strane energie je prvoradé pokryť vlastnú spotrebu budovy. Elektrická energia na použitie na mieste sa vyrába v jednotkách prispôsobených príslušnej požiadavke.
Teplo vyrobené v kogeneračnej jednotke sa však na rozdiel od centrálnych elektrární nestráca. Teplo sa dodáva do tepelnej siete. Spolu s iným výrobcom tepla, napríklad kotlom, sa do budovy dodáva energia, teplo a teplá voda takmer bez strát. Keďže kogeneračná jednotka sa v podstate oplatí znížením množstva energie odoberanej zo siete (a nie prostredníctvom výkupnej ceny), je potrebné zohľadniť aj spotrebu elektrickej energie v budove.
Plynová kogeneračná jednotka vyrába súčasne teplo a elektrickú energiu. V závislosti od výkonu je vhodná pre väčšie obytné budovy a obytné komplexy, ako aj pre komerčné podniky a komunálne projekty. Keďže výkon sa navrhuje podľa základného zaťaženia, teda priemernej potreby tepla počas roka, kogeneračná jednotka v obytných budovách sa často kombinuje s kotlom na špičkové zaťaženie. Tým sa zabezpečí dostatok tepla aj v zime. Kompaktné zariadenia Vitobloc 200 sú navrhnuté ako decentralizované kogeneračné jednotky s orientáciou na vykurovanie. Tieto relatívne malé jednotky vyrábajú elektrickú energiu na princípe kombinovanej výroby tepla a elektrickej energie na spotrebu na mieste. Teplo, ktoré sa týmto procesom vyrába, sa súčasne takmer bez strát využíva na vykurovanie. Všetka nepotrebná energia sa exportuje do verejnej siete a dodávateľ elektrickej energie za ňu poskytuje príslušnú odmenu.
Trigenerácia a ďalšie efektívne technológie
Okrem kogenerácie existuje aj trigenerácia - systém, ktorý vyrába nielen teplo a elektrinu, ale aj chlad pomocou absorpčných chladičov. Ak je k motoru pripojený aj generátor, vzniká systém trigenerácie - súčasnej kombinovanej výroby elektriny, tepla a chladu, ktorý dokáže pokryť všetky energetické potreby objektu s maximálnou efektivitou. Zdrojom môže byť priamo plynový horák, no strategicky sa využíva najmä odpadové teplo z kogeneračných jednotiek, priemyselných procesov alebo solárnych systémov.
Kombinované vykurovacie systémy, známe aj ako hybridné vykurovanie, predstavujú inteligentný spôsob, ako spojiť výhody dvoch alebo viacerých vykurovacích technológií do jedného celku. Tieto systémy využívajú rôzne zdroje tepla, ktoré spolupracujú na zabezpečení optimálnej klímy v domácnosti. Cieľom je dosiahnuť maximálnu energetickú účinnosť, znížiť emisie a zároveň zabezpečiť spoľahlivé a komfortné vykurovanie počas celého roka.
Kondenzačná technika je využiteľná nielen pri nových konštrukčných riešeniach vykurovacej sústavy, ale má svoje opodstatnenie aj pri klasických štandardných vykurovacích sústavách. Konvenčné plynové kotly odvádzajú spaliny s vysokou teplotou do atmosféry, čím dochádza k významným stratám tepelnej energie. Kondenzačný kotol je konštruovaný na spätné získanie tejto energie. Jeho kľúčovým komponentom je špeciálny výmenník tepla, vyrobený z materiálov odolných voči kyslému kondenzátu. V tomto výmenníku sú spaliny vedené proti prúdu vratnej vody, čím dochádza k ochladeniu spalín pod teplotu rosného bodu. V tomto momente nastáva kondenzácia vodnej pary, pri ktorej sa uvoľňuje značné množstvo kondenzačného tepla. Toto teplo sa odovzdáva vratnej vode, ktorá je takto predhriata ešte pred vstupom do hlavného spaľovacieho priestoru.
Budúcnosť kogenerácie: Obnoviteľné plyny
Kľúčovou výhodou prezentovaných technológií je ich flexibilita a pripravenosť na prechod k obnoviteľným plynom. Biometán, ako chemicky identický ekvivalent ZP, vyrobený z obnoviteľných zdrojov, môže byť spaľovaný vo všetkých uvedených technológiách už dnes a to bez potreby akýchkoľvek technických úprav. S postupným rozvojom vodíkového hospodárstva sa počíta s primiešavaním vodíka do distribučnej siete ZP. Moderné plynové spotrebiče sú už dnes vyvíjané a certifikované ako "H2-Ready", čo znamená, že sú schopné bezpečne a efektívne spaľovať zmes ZP s prímesou vodíka (typicky do 20 %). V dlhodobom horizonte sa počíta s prechodom na spaľovanie 100% vodíka, najmä v prípade zariadení s vyšším výkonom, ako sú paroplynové cykly.
Zemný plyn je mimoriadne všestranné nízkoemisné palivo, ktoré poháňa širokú škálu technológií od osvedčených a dostupných až po tie najmodernejšie. Schopnosť plynových technológií poskytovať teplo, chlad aj elektrickú energiu s vysokou účinnosťou, vysokou prevádzkovou spoľahlivosťou, dlhou životnosťou a s relatívne nízkymi emisiami CO2, ich stavia do pozície dôležitého partnera pre energetiku 21. storočia.