Biomasa jako zdroj pro výrobu elektrické energie a tepla v bytových domech

Hlavním účelem tohoto článku je popis kogenerační jednotky založené na principu organického Rankinova cyklu (dále jen ORC) pro využití v bytových domech. Významná část této práce je zaměřena na modelování dat tepelné potřeby domu a požadavku na dodávku elektrické energie. Cílem je určit výkonové parametry kogenerační jednotky, nezbytné kapacity pro akumulaci tepla, provozní stavy jednotky, investice a provozní náklady.

V současné době je většina rodinných a bytových domů závislá na dodávkách energie pocházející z fosilních paliv. Tato skutečnost nepůsobí příliš pozitivně na životní prostředí. Nejen z tohoto důvodu se v posledních pár letech lidstvo začalo zaměřovat na energii získávanou z obnovitelných zdrojů energie (OZE). Mezi OZE řadíme sluneční energii, energii získanou z vody, větru, spalováním biomasy a geotermální energii.

Zařízení, která k výrobě elektrické nebo tepelné energie využívají OZE, přispívají dílem jak ke snížení energetické závislosti na spalování fosilních paliv, tak ke zlepšení životního prostředí a v neposlední řadě také k decentralizaci energetiky, ke které lidstvo v rámci zvýšení soběstačnosti směřuje. V případě vhodného použití takového zařízení se může významně zvýšit ekonomická efektivita, zmíněná kvalita životního prostředí a efektivita využití primárních zdrojů energie (PEZ). [1]

Tato práce se věnuje jedné z variant využití OZE, konkrétně nasazení ORC technologie pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla z biomasy.

Popis a princip ORC

Organický Rankinův cyklus (dále ORC) je velmi podobný Rankin-Clausiovu cyklu, který běžně využívají konvenční tepelné elektrárny. Principiální schéma ORC oběhu s regenerací a T-s diagram tohoto oběhu je na obr. 1. Cirkulace oběhu je zajištěna napájecím čerpadlem, kde dochází ke zvýšení tlaku pracovní látky (4-5), ta se dostává dál do dvoustupňového výparníku ohřívaného teplonosnou látkou, kde při stálém tlaku dochází ke zvýšení teploty na teplotu varu a poté dochází k vypařování látky.

Sytá pára (1) vstupuje do expanzního stroje, kde se část její tepelné energie mění na mechanickou energii a v generátoru na elektrickou energii. Část tepla přehřáté páry mezi body 2 – 3 se využívá v rekuperačním výměníku k tzv. regeneraci (využije se pro ohřev již zkondenzované pracovní látky). Ochlazené páry vstupují následně do kondenzátoru (3), kde se odvádí teplo z cyklu (3 – 4). U mikro-kogeneračního zařízení se předpokládá využití tohoto tepla k vytápění objektů. [2]

Na rozdíl od běžného parního Rankin-Clausiova cyklu používá ORC jako pracovní látku organickou sloučeninu (např. uhlovodíky, fluorovodíky, silikonové oleje). Oproti vodě mají tyto látky nevýhody, jako je agresivita vůči konstrukčním materiálům, takže konstrukce musí být z kvalitních materiálů, jako je korozivzdorná ocel, fluorový kaučuk, teflon atd. Dále pak fakt, že používané látky mohou být zdravotně závadné, a proto je vysoký požadavek na těsnost zařízení, aby látky neunikaly do ovzduší.

Nicméně jejich výhody náročnou konstrukci zařízení často vykompenzují. Patří mezi ně dobré termodynamické vlastnosti, jako je nízká tepelná kapacita a nízké výparné teplo, ale i vyšší molární hmotnost, díky které má, ve srovnání s parní elektrárnou nízkého výkonu, výrazně vyšší objemové toky turbínou. Díky tomu lze navrhnout turbínu s menším počtem pracovních stupňů pracující na nižších otáčkách, což snižuje její obvodové ztráty. [2]

Popis modelového domu

Jako modelový dům se pro účely této práce bude posuzovat osmipodlažní dům, který je výškově osazen v úrovni 1. nadzemního podlaží. Objekt obsahuje 32 bytových jednotek, kde v typickém podlaží jsou 3 byty o rozloze 63,5 m2 a 1 byt o rozloze 72 m², přičemž konstrukční výška podlaží je 2,8 m. Obvodové panely pláště jsou sendvičové, železobetonové o tl. 300 mm, střecha je jednoplášťová, nevětraná a okna a balkonové dveře jsou s dvojitým zasklením a neoprenovým těsněním. V tabulce 1 jsou uvedeny součinitele prostupu tepla pro dílčí konstrukce.

Analýza tepelných potřeb

Celková tepelná ztráta objektu činí Φ_T = 127 kW, celková roční potřeba tepla na vytápění tvoří Q_H = 193 MWh/rok, potřeba tepla na přípravu teplé vody (dále TV) činí 79 MWh/rok a potřeba elektrické energie pak 73 MWh/rok. Pro stanovení potřeby tepla na vytápění se uvažuje výpočtová venkovní teplota t_out = –12 °C, průměrná venkovní výpočtová teplota činí t = 4 °C a průměrná vnitřní výpočtová teplota vytápěného objektu činí t_in = 20 °C pro otopné období, které se uvažuje měsíčně. [1]

Uváděné měsíční potřeby tepla jsou uvedeny na obr. 2 vlevo. Tepelná potřeba byla určena pomocí hodinové potřeby pro každý den otopného období. Příklad takového hodinového rozdělení pro zimní měsíc je uveden na obr. 2 vpravo.

Na obr. 3 jsou znázorněny konkrétní hodnoty hodinového průběhu potřeby tepla na přípravu TV pro přechodné období (březen) a měsíční potřeba tepla na přípravu TV.

Průběh denní spotřeby elektrické energie je modelován s využitím průběhu typových diagramů uveřejněných Operátorem trhu s elektřinou (dále OTE). V případě pracovního dne se vyskytují extrémy ráno a večer a o víkendu potom dopoledne a večer.  Na obr. 4 je pak ukázán průběh denní a měsíční potřeby elektrické energie.
Potřeba elektrické energie je větší v zimních měsících. Pro uvedený objekt je potřeba tepla na vytápění přibližně dvakrát větší než potřeba tepla na přípravu TV (tento poměr se však u moderních budov blíží k jedné).

Návrh systému s kogenerační jednotkou ORC a špičkovým kotlem

ORC jednotka je navržena tak, aby výroba tepla pokryla potřeby na vytápění a přípravu TV v modelovém objektu. Tato ORC jednotka používá jako palivo dřevní štěpku. Součástí návrhu systému s kogenerační jednotkou je také vyhodnocení provozních a investičních nákladů.

Optimální výkonové parametry jsou posuzovány na základě dat pro potřebu tepla na vytápění a přípravu TV a závisí na:
•    potřebě tepla v daném časovém úseku;
•    provozních režimech kogenerační jednotky v jednotlivých obdobích roku;
•    provozním režimu špičkového kotle;
•    požadavku na výrobu elektrické energie.

Návrh provozních režimů je volen tak, aby v zimním období byla jednotka v provozu 24 hodin, pro přechodová období byl navržen provoz na 16 hodin a v letním období 8 hodin. Ve dnech, kdy kogenerační jednotka není schopna pokrýt potřebu tepla, je sepnut špičkový kotel, který je navržen na spalování dřevní štěpky.
Optimální výkon kogenerační jednotky byl stanoven na 44 kW. Minimální výkon špičkového kotle byl stanoven na 63 kW.

Jako akumulační nádoby jsou pro celý systém navrženy:
•    hlavní akumulační nádoba pro kogenerační jednotku;
•    akumulační nádoba špičkového zdroje;
•    zásobník teplé vody.

Vyrobená elektrická a tepelná energie kogenerační jednotkou a špičkovým kotlem pro dané režimy a celkové hodnoty jsou uvedené v tabulce 2.

Ekonomické zhodnocení

Pro vypočítané hodnoty potřeby elektrické energie a tepla je stanovena potřeba paliva a entity s ní spojené (pořizovací náklady, náklady na dopravu, skladování a servisní náklady a náklady na opravy ORC jednotky). Celkové provozní náklady (bez DPH) činí 200 000 Kč/rok a zahrnují jmenovitě:
•    náklady na palivo 128 000 Kč/rok (roční potřeba paliva 1 276 GJ/rok = 92 t štěpky/rok)
•    náklady na dopravu a skladování paliva 33 000 Kč/rok
•    servisní náklady a náklady na opravy 40 000 Kč/rok.
Investiční náklady dle aktuálních cen a nabídek jsou uvedeny v tab. 3.

 
V případě tohoto systému je uvažováno využití veškeré energie spotřebitelem, přebytečná energie není dodávána do sítě. Vlastní spotřeba jednotky je stanovena na 1 kW a při standby režimu 80 W (tyto hodnoty vycházejí ze zkušeností s experimentálním ORC zařízením na UCEEB).
Úspory jsou zde počítány proti současným nákladům budovy na vytápění a ohřev TV, kdy je teplo odebíráno ze systému CZT s cenou 650 Kč/GJ, tj. 625 000 Kč/rok.

Celková úspora se počítá z vyrobené elektrické energie za rok a z úspory při výrobě tepla (přechod z CZT na dřevní štěpku). Úspora elektrické energie je 18 108 kWh/rok, což při ceně 3,43 Kč/kWh (cena po odečtení poplatků za OZE, služeb a činností OTE a přičtení zelených bonusů) činí 62 000 Kč/rok. Úspora při výrobě tepla je 475 000 Kč/rok (roční náklady na palivo, dopravu paliva a servis 200 000 Kč/rok a zelené bonusy 50 000 Kč/rok). Při uvažování těchto podmínek se investice do ORC vrátí reálně za 4,9 let a při minimální životnosti ORC, která je 12 let, by dosažitelná úspora byla 2 867 202 Kč. [1]

Závěr

Instalování kogenerační jednotky v bytovém komplexu, na kterém bylo provedeno zhodnocení energetické náročnosti (potřeb elektrické a tepelné energie), může z hlediska dlouhodobého používání této jednotky (minimální životnost 12 let) uspořit poměrně vysokou částku peněz tj. 2 867 000 Kč. Investice do této jednotky, která při použití současných technologií a nabídek činí 2 450 000 Kč, se při optimálním provozu vrátí za 4,9 let.

Provoz této jednotky je volen tak, aby v zimním období byla jednotka v provozu 24 hodin, pro přechodová období byl navržen provoz na 16 hodin a v letním období 8 hodin, kdy její výkon je stanoven na 44 kW a maximální výkon špičkového kotle 63 kW. Energetická potřeba daných období je detailně popsána na obr. 2 a 3.

Používání kogenerační jednotky může výrazně přispět k současnému trendu zvyšování podílu obnovitelných zdrojů v energetickém mixu a zároveň ke snížení využívání uhlí jako paliva pro malé lokální výtopny a domácnosti, a tak obecně ke snížení emisí. Zároveň může přispět k decentralizaci energetiky, a tak lokálně k vyšší energetické soběstačnosti.

Dalším budoucím uplatněním jednotek může být zajištění zálohování napájení v oblastech, kde je veřejná síť často mimo provoz (v podmínkách ČR jsou to např. horské chaty, penziony apod.) nebo je poměrně nestabilní.

Literatura
[1]    SLAVÍK, M.: Využití jednotky s ORC v bytovém domě. Praha: ČVUT, Diplomová práce, vedoucí práce doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D., 2015.
[2]    MYDLIL, P.: Návrh ORC jednotky pro využití odpadního tepla v mikroturbíně. Praha: ČVUT, Diplomová práce, vedoucí práce doc. Ing Michal Kolovratník CSc., 2012.

Text: Zbyněk Zelený, Anna Fořtová, Marek Slavík
Obrázky: Autoři
Autoři pracují v UCEEB ČVUT v Buštěhradě.

Příspěvek odzněl v rámci Konference Alternativní zdroje energie 2016 v Kroměříži.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2016.