Automatický kotel na biomasu s výrobou elektřiny je revoluci v energetice

Příspěvek navazuje na článek publikovaný v roce 2016 v časopise TZB Haustechnik, kde byla představena mikroelektrárna Wave, jediný kotel na biomasu na trhu, který kromě tepla produkuje elektřinu. Tento příspěvek shrnuje postup projektu v posledních čtyřech letech a popisuje možnosti, které řešení nabízí.

Těžební limity pro hnědé uhlí, vnitrostátní klimaticko-energetický plán, neustálé změny legislativy – dynamika, nepředvídatelnost. I takto je možné vnímat situaci v české energetice. Ta, ostatně stejně jako energetika v celé EU, prochází zásadní transformací, dokonce jde o několik revolucí současně.

Probíhá liberalizace, dekarbonizace, decentralizace a není možné odhadnout vývoj poptávky po jednotlivých druzích energie. Stagnuje či klesá poptávka po teple, stagnuje spotřeba elektřiny. Roste nutnost zálohovat elektrické odběry v místě spotřeby. Energetický regulační úřad připravuje změnu tarifní struktury v oblasti distribuce, která se má projevit zejména u malých a středních odběrů dynamizací plateb za distribuci.

Stávající paradigma centrální výroby elektřiny a velkých systémů centralizovaného zásobování teplem je na hranici své morální životnosti. EU investuje značné prostředky do vývoje technologií spojených s vizí Smart Grids. Předpokládá se další razantní přechod k využití obnovitelných zdrojů energie a transformace zejména distribučních soustav ke kvalitativně jiné logice provozu – k integraci malých rozptýlených zdrojů.

Ve stavebnictví se čím dál tím více projevuje tlak na úspory energií, zpřísňují se předpisy pro výstavbu a přibývají související povinnosti majitelů nemovitostí (např. průkaz energetické náročnosti budovy). Změna trendu se nedá předpokládat, zásobování objektu energiemi již zdaleka není v projektové přípravě triviální otázkou. Investoři a developeři navíc stále více koketují s myšlenkami na „nulové budovy“, tedy objekty s vyrovnanou roční produkcí a spotřebou energií. Otevřenou otázkou je růst tlaku na vyšší úroveň či jiný způsob povinného využívání obnovitelné energie v budovách.

Je možné v rámci uvedených podmínek hledat ekonomicky, ekologicky i technologicky přijatelná řešení?

Cesta k WAVE

Nápad spustit vlastní vývoj technologie pro decentralizovanou energetiku vznikl na Ústavu energetiky Fakulty strojní ČVUT v Praze v roce 2008. Z úvodních analýz a výzkumu vyplynulo, že pokud se podaří připravit zařízení pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla podobné automatickému kotli na biomasu, má taková technologie reálnou šanci na trhu uspět, a je tak efektivní se vývoji v této oblasti věnovat.

Jednotka I. generace na biomasu o tepleném výkonu 20 kW a elektrickém výkonu 0,5 kW byla uvedena do provozu v laboratoři Ústavu energetiky Fakulty strojní v roce 2010; zařízení posloužilo zejména k detailnímu studiu konstrukce a provozu organického Rankinova cyklu (ORC), na jehož principu pracuje. Následovala stavba několika prototypů zařízení již v rámci ČVUT UCEEB, jejichž cílem bylo nabyté zkušenosti zúročit a vyvinout technologický základ pro další aplikace.

Mikroelektrárna Wave50 byla na podzim 2018 instalována jako pilotní komerční aplikace v Mikolajicích na Opavsku. Jednotka v kontejnerovém provedení je spolu s fotovoltaickou elektrárnou součástí většího energetického celku, ve kterém kromě pokrývání potřeby tepla obecního úřadu, hasičské zbrojnice a obchodu dodává také elektrickou energii do mikrosítě. Na jednotce proběhlo před kolaudací na podzim 2018 nutné autorizované měření emisí, které potvrdilo splnění emisních limitů na úroveň tzv. Ekodesignu. Jednotka kromě emisních limitů dále splňuje veškeré atesty na tlakovou bezpečnost, revizi elektrických zařízení, hlukové limity atp.

V současné době jsou v přípravě instalace komerčně atraktivní generace produktu Wave120; při splnění Ekodesignu došlo k navýšení tepelného výkonu na 120 kW a produkci 6 kW elektřiny do využití po pokrytí všech vlastních spotřeb (tj. cca 8,2 kW na hřídeli generátoru). Důvodem k přechodu na vyšší výkonové parametry je významně lepší ekonomická efektivita.

Díky produkci elektřiny jde o řešení, které generuje finanční úspory, a tak „se vrací“. Doba návratnosti závisí na ceně elektřiny a dalších faktorech v lokální instalaci. Při započtení investiční dotace se pohybuje dokonce v jednotkách let. Jiný kotel na trhu tuto vlastnost nemá.

Uplatnění najde Wave například v obcích pro vytápění větších úřadů a kulturních domů, penzionů, hotelů, bytových domů, na farmách apod. Ideální ekonomiky pak dosahuje na pilách a všude tam, kde je k dispozici dostatek levné, i když méně kvalitní biomasy a investor pro ni hledá maximálně efektivní využití. Technologicky je možné jednotku vybavit pro tzv. ostrovní provoz, tedy dodávky elektřiny bez nutnosti připojení na elektrizační soustavu. Toto bude zajímavé pro zákazníky především v horských a jinak odlehlých oblastech.

Prototyp Wave120 je v provozu na ČVUT UCEEB od konce roku 2019, první komerční jednotka měla být v provozu letos. Celková situace v ekonomice a omezení dotací posunula realizaci nejméně o rok a půl. Příprava projektů je v plném proudu.

Kotel na biomasu, který vyrábí kromě tepla i elektřinu

Jednotku Wave si lze zjednodušeně představit jako automatický biomasový kotel, který zároveň vyrábí teplo i elektřinu. Zatímco běžný kotel pro svůj provoz elektřinu spotřebovává, Wave si svou spotřebu elektřiny pokryje a přebytečnou elektřinu dodává do objektu nebo je odprodána do distribuční sítě. Výroba elektřiny je řešena prostřednictvím tepelného oběhu, který je obdobný jako u klasické uhelné elektrárny. Namísto vody je však využito jako pracovní látky oběhu vhodnější organické látky, proto se tento cyklus označuje jako organický Rankinův cyklus (ORC). Teplo je po průchodu cyklem a dílčí transformaci v elektřinu odvedeno do otopné vody určené pro vytápění budovy či pro jiné technologické využití. Provoz Wave je plně automatický včetně diagnostiky a bezpečnostních systémů. Zařízení je možné pomocí mobilní aplikace uvést do provozu a stejně snadno odstavit.

Z násypky je dřevní štěpka dopravována šnekovým dopravníkem do spalovací komory. Spaliny odcházejí z ohniště do vinutých trubkových výměníků vlastní konstrukce. Zde předávají teplo pracovní látce ORC – silikonovému oleji. Spaliny jsou z výměníků odsávány odtahovým ventilátorem do komína. Spalovací komora je vybavena automatickým odpopelněním, výměníky jsou vybaveny automatickým čištěním.

Pracovní látka se ve výměnících vypaří a proudí do patentovaného lamelového expandéru, který roztáčí generátor. Pára z expandéru kondenzuje v kondenzátoru a proudí do zásobníku kondenzátu, odkud je čerpána napájecím čerpadlem zpět do vinutého výměníku. Kondenzátor je chlazený vodou, jejíž výstupní teplota je regulovatelná a zajišťuje poptávku tepla v připojené budově.

Provoz Wave je plně automatický včetně diagnostiky a bezpečnostních systémů. Zapálení paliva je řešeno elektrickým zapalovačem.

Ekonomické aspekty investice do kotle Wave

Energie jsou obecně ve firmách i obcích „mnohovrstevným“ problémem, ekonomické hodnocení v praxi bohužel spíše reflektuje nastavení jeho okrajových podmínek než reálnou smysluplnost prováděných opatření. V poradenské praxi se pak poměrně často setkáváme se situacemi, kdy investor nerealizuje doporučená opatření, která podle standardních ekonomických hodnocení vykazují optimální ekonomický přínos. Rozhodování o investicích totiž mohou ovlivnit zejména:

• plán budoucího rozvoje podnikání investora (např. minimalizace investic do aktiv, která jsou určena k prodeji)
• stavy dodávek energie, dostupnost a cena paliv v konkrétním místě a čase, kapacita a typ připojení k elektrickésíti
• podíl energetických nákladů na celkových provozních nákladech investora (investor vnímá náklady na energie jako nepodstatné, minimalizuje investice bez ohledu na budoucí provozní náklady zvolených řešení)
• dostupné finanční prostředky odrážející jejich zdroje (dostupnost a ochota investovat vlastní prostředky do zvyšování vlastních aktiv nebo nutnost investice plně úvěrovat, dostupnost a výše dotací)
• maximální výše investice, kterou je investor ochoten zaplatit bez ohledu na provozní efektivitu teoreticky optimální investice
• charakter rozhodovacího činitele, jeho averze k riziku a důvěra v řešení či jeho dodavatele („Vždy se to tak dě Nikdy se to tak nedělalo. Nikdo z konkurence to nemá. Všichni konkurenti mají něco jiného.“)
• vnímané problémy (investorem řešené problémy nemusí nutně odrážet skutečné problémy)
• prostorová omezení pro instalaci nových technologií, legislativní omezení při umísťování nových staveb, ochrana životního prostředí atd.

Investor by měl s ohledem na mechanismus plnění svého cash-flow zvážit otázku, kam tečou peníze. V obecném pohledu lze konstatovat, že u investic s nízkými investičními náklady obvykle odtékají od investora prostřednictvím vysokých provozních nákladů k dodavatelům energií. U investic s vyššími investičními náklady, tedy obvykle do obnovitelných zdrojů energie, pak v provozních nákladech odtéká i významně méně a investice v optimálním případě zvyšují hodnotu majetku investora.

Jako příklad uvažme ekonomické porovnání čtyř variant investic do modernizace modelového energetického systému dnes využívajícího hnědé uhlí. Jako varianty mohu být uvažovány kotel na zemní plyn, kotel na biomasu, kogenerační jednotka na zemní plyn a kogenerační systém na biomasu. Typické srovnání založené na diskontovaných peněžních tocích není podle našich zkušeností z poradenství samo o sobě přímým podkladem pro rozhodování investora.

Při určité volbě diskontní míry, která může být zvažována pouze intuitivně, nevolí investoři nákladnější investice do kogeneračních systémů i v případech, kdy diskontované ekonomické hodnocení zvažovaných variant ukazuje v době porovnání lepší výsledky. Důvodem je neochota k vynaložení vyšších investic v době rozhodování a nízká citlivost na vysoké provozní náklady v budoucnu.

Záleží na investorovi

Objevují se však i investoři uvažující zcela jiným způsobem. Investor například zvažuje variantu kogenerace na biomasu oproti referenčnímu scénáři, kterým je kotel na biomasu. Investice bude vyšší například o 1,5 mil. Kč, rozdíl v ročních provozních nákladech bude např. 165 tis. Kč ve prospěch varianty s kogenerací díky výrobě elektřiny. Investor předpokládá životnost obou variant 20 let a uvažuje tak, že vynaložení extra nákladů z vlastních prostředků mu generuje provozní úspory, které vnímá jako výnosy.

Výnosy jsou pak z jeho pohledu „zhodnocením peněz“ na úrovni 165/1500 = 11 %. Tuto hodnotu následně porovná s jinými jemu dostupnými variantami využití kapitálu na stejnou dobu a dospívá k názoru, že investicí dojde k navýšení vlastních jím přímo kontrolovatelných a ovlivnitelných aktiv a minimalizuje se riziko ztráty v jiných investičních příležitostech (akciové, finanční a jiné trhy). Takový investor si tedy vybere variantu s kogenerací na biomasu.

Investor, zejména to platí u obcí, by tedy neměl provádět pouze zjednodušené hodnocení ekonomiky investic do zdrojů energie na základě prosté návratnosti s využitím aktuálních cen energií a technologií, protože je vystaven velkému nebezpečí nezohlednění důležitých efektů, které na jeho hospodaření investice přináší. Je dobré provádět vyhodnocení nákladů a přínosů (nejen výnosů) v širším slova smyslu (tzv. cost-benefit analysis, CBA) se zahrnutím nejen finančních, ale i nefinančních aspektů projektu ve střednědobém horizontu.

Hledat například odpověď na otázku, zda a kolik jsme ochotni či schopni zaplatit za určitou energetickou nezávislost nebo bezpečnost, kterou s sebou může využití nákladnějších zdrojů přinést. Jakou hodnotu má schopnost omezeného provozu díky vlastním energetickým zdrojům v situacích, kdy je podnik či objekt bez elektřiny? V některých případech je dostupnost několika kW elektrického výkonu otázkou zabránění jednorázových ztrát produkce, které jsou v praxi srovnatelné s hodnotou celkové investice do energetického systému.

Primárně by investiční projekty do energetiky měly být smysluplné, tedy zapadat do logického rámce fungování obce či podniku. Dobré ekonomické hodnocení s vyčíslením hotovostních toků je pak ukazatelem, jak se realizace investice projeví v té které části rozpočtu. Ideální je zpracování zmíněné CBA s hodnocením širších vazeb projektu na organismus podniku či obce.

Roli hraje i dostupnost biomasy

Širší materiálové, energetické a finanční vztahy projektu posouvají otázku ekonomičnosti energetických investic daleko od zjednodušeného pohledu s využitím prosté návratnosti. Obdobně je možné pohlížet na fenomény, jakými jsou fotovoltaika, bateriová uložiště a elektromobilita i v podnicích. Tam je to však více otázkou dostupnosti a plánu nakládání s kapitálem.

Investice do systémů využívajících biomasu jsou v obecné rovině otázkou dostupnosti biomasy nebo úsilí o využití stávajících zdrojů biomasy než primárně otázkou ekonomiky. Je-li biomasa investorovi k dispozici a může tak volit nízkou diskontní míru pro tuto variantu, kogenerace z biomasy se v porovnání s ostatními variantami stane nejvhodnější možností.

Výše bylo navíc ukázáno, že poněkud jiný akcent pohledu investora na vlastní prostředky může vést k instalaci nákladnějšího systému v případech, kdy alternativy použití vlastních prostředků vykazují významně vyšší riziko a nižší výnos než investice do vlastních aktiv v podobě kogeneračního zařízení ve vlastním areálu.

Nebo je možné aplikovat skutečně zjednodušené hodnocení, kdy aplikace Wave120 přináší oproti kotli na biomasu výše uvedenou roční úsporu 165 tis. Kč. Za 20 let doby hodnocení, která cca odpovídá reálné životnosti biomasových kotlových technologií, než jsou v praxi skutečně vyměňovány, jde o 20 x 165 tis. Kč = 3,3 mil. Kč, což je cena Wave120. Jinými slovy, kotel Wave120 za dobu živostnosti vygeneruje na elektřině tolik úspor, že se celý zaplatí. Žádný jiný kotel na trhu tuto vlastnost nemá.

Na řešení jsou do ukončení příjmu žádostí v prosinci 2020 k dispozici až 50% dotace s potenciální dobou realizace projektů i v roce 2022. Další finanční nástroje pro podporu instalace tohoto typu řešení se předpokládají v roce 2021. Kůrovcová kalamita navíc vede k značnému přebytku dřevní biomasy a k nízkým cenám, dostupnost paliva tak lze ve střednědobém horizontu předpokládat.

Poděkování

Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov –  Fáze udržitelnosti.