Mikroelektrárna WAVE – automatický kotel s výrobou elektřiny

Česká energetika je na rozcestí, výrobní kapacity nejen v elektroenergetice pomalu dožívají. Některé z nich procházejí procesem tzv. retrofitu, tedy vybudováním nového vylepšeného bloku ve stávajících prostorech.

Zpráva tzv. první Pačesovy energetické komise z r. 2008 [1] zmiňuje prognózu MPO o vývoji instalovaného výkonu v elektrizační soustavě, jejíž scénáře hovořící o hrozícím nedostatku 2–3 GW v horizontu 10 let a praktické nemožnosti tento nedostatek saturovat. Tyto scénáře počítají s dostupností a výrobními kapacitami „klasických“ energetických technologií.

V tomto duchu např. prof. Hrdlička [2] hovoří o nedostatečné projekční, výpočtové, výrobní, montážní i provozní kapacitě lidských zdrojů, které by mohly výpadek nahradit. Pro současný energetický systém se tak situace zdá být napjatá. Ve skutečnosti došlo mezi lety 2008–2014 k růstu instalovaného výkonu o 4 196,1 MW, o který se postaraly zejména fotovoltaické, paroplynové a plynové zdroje [3].

Hrozby a příležitosti české energetiky

Změna pravidel v souvislosti s liberalizací trhu s energiemi, tlak na snižování emisí, nízké ceny silové elektřiny, těžební limity pro hnědé uhlí se značným vlivem na teplárenství, neustálá změna legislativy. To jsou jen některé vlivy, které fakticky znemožňují racionálně připravovat stavbu nových výrobních bloků. Otázka také zní, kdo bude obnovu energetiky investovat? Silná účast státu na velmi rychle se rozvíjejícím a ziskovém odvětví, jakým byla energetika od 50. do 70. let 20. století, již není pravděpodobná.

Energetika vykazuje znaky stagnujícího odvětví a minimálních zisků na straně produkce elektřiny. Další otázkou je, jak rychle bude sektor schopen chybějící kapacity realizovat ve chvíli, kdy na výkonové nedostatky zareaguje burza a investice se ukážou jako výhodné. Příprava a stavba systémového bloku dnes zabere již téměř 10 let.

Stávající paradigma centrální výroby elektřiny a velkých systémů CZT je zřejmě 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.

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 zvýšením plateb za distribuci.

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.

Inspirace pro budoucnost energetiky

Určitou možnost, jak rychle řešit výkonové nedostatky, představuje decentralizovaná energetika. Jako příklad můžeme v pozitivním smyslu použít nechvalně známý „solární boom“ z nedávné minulosti. Z obrázku 1 je zřejmé, že se podařilo v horizontu 3 let od roku 2008 do roku 2011 instalovat téměř 2 GW elektrického výkonu [4].

Uvedená čísla odpovídají „rychlosti instalace“ 650 MW/rok, což odpovídá jednomu systémovému uhelnému bloku. Příčina celého boomu, tedy značný pokles cen fotovoltaických panelů při zachování cenového a legislativního rámce na straně výkupu elektřiny, je všeobecně známá. Jaké zkušenosti si můžeme odnést pro budoucnost?

Při dobře nastaveném regulatorním a finančním rámci je decentralizované nasazování výkonů dostatečně rychlou a praktickou cestou k řešení potenciálních výkonových nedostatků. Zajímavý je i pohled finančních institucí. Daleko raději financují řadu menších projektů „podle šablony“ než jeden velký a těžko predikovatelný projekt.

Další zajímavý pohled přináší analýza hromadné výroby, konkrétně v ČR vysoce rozvinutého automobilového průmyslu. V roce 2010 byl v ČR do osobních automobilů instalován výkon cca 75 GW. Pokud uvažujeme s „energeticky využitelným“ výkonem těchto strojů, obdržíme hodnotu kolem 23 GW. Tato hodnota odpovídá instalovanému výkonu všech zdrojů v současné době zapojených v elektrizační soustavě, tj. 21,92 GW v roce 2014 [3].

Uvedený redukovaný výkon 23 GW je k dispozici za cca 428 mld. Kč, tedy s velmi zajímavými měrnými náklady na úrovni 19 tis. Kč/kW (z ceny za celý automobil, realita může být i poloviční). Měrné ceny se pro klasické elektrárny pohybují kolem 50 tis. Kč/kW, u řešení na zemní plyn i pod 25 tis. Kč/kW. Hromadná výroba tedy teoreticky může aspirovat jako konkurent specializované stavby unikátních vysoce účinných energetických řešení.

Kudy dál?

Je možné v rámci uvedených podmínek hledat ekonomicky, ekologicky i technologicky přijatelná řešení? ČVUT v Praze odpovídá na tyto výzvy mimo jiné založením Univerzitního centra energeticky efektivních budov (UCEEB) se sídlem v Buštěhradu, jehož mottem je holistický přístup ke stavbě a provozu budov.

Energetika hraje v tomto přístupu zcela zásadní roli, budovy jsou dnes poměrně významným konzumentem energií. Otázkou zůstává, jak významným mohou být producentem. Technologie decentralizované výroby mohou při vhodných podmínkách představovat dosažitelné řešení masivní instalace elektrického výkonu.

V roce 2013 byla na UCEEB uvedena do provozu moderní laboratoř LORCA (Laboratoř organických Rankinových cyklů a jejich aplikací). Kromě vlastního vývoje decentralizovaných technologií na bázi organických Rankinových cyklů (ORC) laboratoř odpovídá v rámci budovy UCEEB za provoz mikroturbín, absorpčních chladičů a dalších moderních decentrálních energetických technologií.

Můžeme tedy říci, že naše expertiza sahá od teoretických po ryze praktické aspekty decentralizované energetiky. Z těchto důvodů se na nás obrací stále více zájemců o poradenství, kteří chtějí investovat do energetiky vlastních budov či závodů tak, aby řešení byla provozně spolehlivá, přiměřeně návratná a smysluplná.

Cesta k WAVE

Nápad spustit vlastní vývoj technologie pro decentralizovanou energetiku vznikl na na Ústavu energetiky Fakulty strojní ČVUT v Praze v roce 2008. Prvním krokem bylo provedení ekonomických analýz perspektivy jednotky pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla nízkého elektrického výkonu. Ukázalo se, že při použití biomasy o ceně 150 Kč/GJ je nutné dosáhnout limitních měrných investičních nákladů na úrovni 150 tis. Kč/kW elektrického výkonu, což v konečném důsledku odpovídá ceně kogeneračního systému na úrovni nákladnějších automatických kotlů.

V případě, že by spotřebitel zároveň využíval elektromobil, tato hodnota se zdvojnásobí. Pokud by byl jako palivo využit zemní plyn namísto biomasy, cena zařízení by musela být cca poloviční. Cena paliva tedy hraje velmi významnou roli a v našich podmínkách se z různých důvodů ukazuje jako vhodné využívat levnějších a domácích palivových zdrojů. Mikrokogenerační jednotka dále nabízí potenciál úspory v rozmezí 10–15 % primárních energetických zdrojů i při poměrně nízké elektrické účinnosti.

Z uvedeného 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 i za současných podmínek 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 bylo v provozu do konce roku 2012. Posloužilo zejména k detailnímu studiu konstrukce a provozu ORC, bylo dosaženo poměrně nízkých elektrických účinností kolem 2 %. Následovala stavba několika prototypů zařízení již v rámci ČVUT UCEEB, jejichž cílem bylo nabyté zkušenosti zúročit a vyvinout technologický základ pro další aplikace.

Zatímco vývoj I. generace ORC se ukázal jako neperspektivní, testy dalších prototypů vedly k přesvědčení, že je možné v problematice kombinované výroby elektřiny a tepla z biomasy ekonomicky efektivně pokračovat. Od ledna 2015 se laboratoř LORCA věnuje vývoji zařízení WAVE Enterprise.

Cílem je zpřístupnit výhody vlastní výroby elektřiny co nejširšímu okruhu uživatelů z řad velkých domácností, malých a středních podniků, farem, větších obytných celků, administrativních budov, škol, hotelů, penzionů, wellness center apod. 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.

Za projekt „Mikroelektrárna WAVE pro výrobu elektřiny a tepla z biomasy“ jsme v roce 2015 obdrželi cenu E-ON Energy Globe Award ČR 2015 (tzv. „ekologický oskar“) v kategorii Nápad. Prototyp mikroelektrárny je v laboratoři LORCA v provozu od 31. 3. 2016, 1. 6. 2016 proběhl slavnostní křest za účasti místopředsedy vlády ČR Bělobrádka a předsedy představenstva E-ON Czech Holding AG Michaela Fehna. V současné době se práce zaměřují zejména na zvyšování spolehlivosti a užitných parametrů zařízení.

Jak WAVE Eneterprise pracuje?

Princip práce zařízení s organickým Rankinovým cyklem (ORC) je již poměrně známý. Jen pro připomenutí – tato zařízení pracují obdobně jako klasické parní elektrárny (obr. 2). Liší se tím, že se jako pracovní používá látka s výhodnějšími termodynamickými vlastnostmi, než má voda. Teoreticky použitelných pracovních látek je několik stovek, ovšem jen několik desítek z nich projde náročným sítem požadavků na zdravotní nezávadnost, snesitelnost s konstrukčními materiály, přátelskost k životnímu prostředí, cenu a podobně.

Zařízení se podařilo zjednodušit až do podoby „jednoduchého“, a tedy levného a spolehlivého pracovního okruhu. Teplo je do tepelného oběhu přiváděno přímo ze spalin pomocí výparníku. Není tedy použit žádný vložený termoolejový okruh. Ve výparníku se odpařuje pracovní látka – silikonový olej. Vzniklé páry konají práci v expandéru.

Páry po expanzi proudí do kondenzátoru, kde předají své kondenzační teplo vodě cirkulující v topném okruhu. Toto teplo lze buď využít k vytápění, nebo odvést do atmosféry. Kondenzát je následně jímán v zásobníku kondenzátu a čerpán napájecím čerpadlem do výparníku, čímž se cyklus uzavírá. Zajímavostí našeho přístupu je, že kromě kondenzátoru jsou všechny klíčové komponenty cyklu výsledkem vlastního výzkumu a vývoje.

Projekt WAVE dnes

Díky vybavení centra UCEEB bylo možné prototyp WAVE Enterprise postavit jako tzv. full scale experiment (obr. 3), tedy bez redukce výkonů pro laboratorní účely. Produkované energie jsou dodávány do příslušných systémů centra, můžeme tak dokonce říci, že jde o testování v reálných podmínkách.

Zařízení aktuálně pracuje s celkovou účinností přes 80 % a generuje cca 1,5 kW čistého elektrického výkonu při tepelném výkonu 50 kW. Po dokončení úvodních testů bude přistoupeno k optimalizaci práce komponent cyklu, předpokládá se dosažení čistého elektrického výkonu v nominálním stavu nad hranicí 2 kW.

Aktuálně v rámci projektu hledáme potenciální partnery pro testování pilotních jednotek, které bude probíhat po otestování prototypu od konce roku 2016. Aplikace mikroelektrárny je nezajímavější všude tam, kde dožívá stávající technologie kotelny a je nutné uvažovat o prosté obnově. Ideální jsou partneři se zájmem o nejmodernější technologie, kteří chtějí vlastnit a provozovat unikátní mikroelektrárnu.

Mikroelektrárna je dále atraktivní pro investory, kteří připravují projekty do OPŽP či jiných dotačních titulů zaměřených na úspory energie a CO2. Aplikace mikroelektrárny ve srovnání se štěpkovým kotlem znamená díky výrobě elektřiny úsporu cca 20 000 kg CO2 a 270 GJ neobnovitelné primární energie ročně. Tato čísla mohu významně zatraktivnit zejména projekty s dlouhou dobou návratnosti, jako je zateplení objektu.

V první fázi budou s ohledem na současné parametry předmětem instalací zařízení s cílem snížit závislost investora na vnějších sítích, a tím posílit jeho energetickou soběstačnost. Atraktivní je produkt zejména pro investory, kteří uvažují nad vložením vlastních prostředků a instalací ve svých objektech, čímž minimalizují riziko investice a získají zajímavý výnos. Ten se již pro pilotní zařízení může pohybovat v rozmezí 5–12 % p. a. Technicky je možné Wave kombinovat s bateriovým uložištěm a fotovoltaickými panely. Výnos z investice je pak otázkou individuálních podmínek instalace.

Další skupinou potenciálních partnerů jsou ti, kteří uvažují o zálohování výroby elektřiny pro zajištění základních funkcí nějakého odběru. Zařízení Wave je pak vždy vybaveno bateriovým uložištěm. Ekonomika pro investora je otázkou úhlu pohledu. Investor prakticky instaluje automatický kotel, který kromě běžné produkce elektřiny umí pracovat jako záložní zdroj.

Ve spolupráci s našimi výrobními partnery jsme schopni zabezpečit veškeré práce spojené s investiční přípravou a montáží zařízení. Obdobně jsou vyřešeny legislativní otázky spojené s instalací a provozem. Zajistíme samozřejmě i servis. Jsou také k dispozici velmi zajímavé obchodní modely, jejichž cílem je minimalizovat riziko investora související s pilotním charakterem zařízení.

Na ČVUT UCEEB se v posledních dvou letech obrací stále více společností, společným jmenovatelem je snaha inovovat služby a hledat příležitosti v aplikaci nejnovějších vývojových trendů. Vysoká škola je ideální partner zejména pro schopnost spolupracovat na aplikovaném výzkumu například v rámci programu OP PIK Aplikace a dalších.

Budoucnost WAVE Enterprise

Se zvyšováním užitných parametrů zařízení dosáhneme v horizontu 3–4 let „standardní“ ekonomické efektivity a návratnosti investic 4–5 let i do projektů, které jsou zaměřeny a hodnoceny přísně podle diskontované návratnosti a vnitřního výnosového procenta.

V horizontu 2 let připravíme zařízení o elektrickém výkonu 5 kW při zachování 50 kW tepelného výkonu, technologii bude možné zdokonalit až k 10 kW elektrického výkonu. Nutnou podmínkou je však zajištění potřebných finančních zdrojů. Cílem je také o 50 % snížit produkční náklady, čehož bude dosaženo rostoucí sériovostí produkce.

Literatura
[1]    Nezávislá energetická komise. Zpráva Nezávislé odborné komise pro posouzení energetických potřeb České republiky v dlouhodobém časovém horizontu. [online]. 2008 [cit. 2015-11-5]. Dostupné z: http://www.vlada.cz/cz/media-centrum/aktualne/zprava-nezavisle-odborne-komise-pro-posouzeni-energetickych-potreb-ceske-republiky-v-dlouhodobem-casovem-horizontu:-pracovni-verze-k-oponenture–42575/
[2]    HRDLIČKA, F. Současná energetika … . In Energetika a biomasa 2008. Sborník přednášek z konference. Praha: Fakulta strojní ČVUT v Praze, 2008. ISBN 978-80-01-04017-1.
[3]    ERÚ. Roční zpráva o provozu ES ČR 2014. Praha: Oddělení statistiky a sledování kvality ERÚ. 2015. [cit. 26. 9. 2016]. Dostupné z:  https://www.eru.cz/documents/10540/462820/Rocni_zprava_provoz_ES_2014.pdf/933fc41a-ad79-4282-8d0f-01eb25a63812
[4]    SKLENÁŘ, O. Fotovoltaika v České republice v roce 2014. Struktura instalací FVE z různých pohledů. Tzbinfo [online]. 22.12.2014 [cit. 2015-11-05]. Dostupné z: http://oze.tzb-info.cz/fotovoltaika/12162-fotovoltaika-v-ceske-republice-v-roce-2014

Text: Ing. Jakub Maščuch, Ph.D.
Autor pracuje jako vedoucí Laboratoře organických Rankinových cyklů a jejich aplikací (LORCA) v Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT v Praze.
Foto a obrázky: autor

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 04/2016.