Kogenerace

Kombinovaná výroba elektřiny a tepla při spotřebě zemního plynu

Kogenerace

Jeden z vysoce účinných a zároveň ekologicky přijatelných způsobů výroby elektřiny, který spočívá v efektivním využití odpadního tepla, jež při výrobě elektřiny vzniká.

Příspěvek na elektřinu z kogenerace

Kogenerační způsob výroby elektřiny je podporován v celé Evropské unii. V České republice mají provozovatelé kogeneračních jednotek nárok na příspěvek na elektřinu z kogenerace.

Úspora emisí CO2

S vysokou účinností využití paliva a velmi nízkými výrobními ztrátami je úzce spjato i snížení emisí CO2, které se pohybuje řádově v tunách na každou vyrobenou MWh elektřiny oproti běžné výrobě elektřiny.

Využití elektřiny a tepla

Elektřina vyrobená v kogenerační jednotce se používá pro vlastní spotřebu objektu, v němž je jednotka umístěna, nebo je možno ji dodávat do sítě. Teplo z kogenerační jednotky se využívá k vytápění budov, přípravě teplé užitkové vody nebo technologického tepla. Kogenerační jednotky slouží také jako nouzové zdroje elektrické energie v místech její nepřetržité potřeby.

Trigenerace

Pomocí absorpčního chladiče je teplo vzniklé v procesu kogenerace možno využít i k výrobě chladu pro technologické účely nebo klimatizaci. V takovém případě hovoříme o trigeneraci, kombinované výrobě elektřiny, tepla a chladu.

Používaná paliva

Dominantním palivem pro pohon kogeneračních jednotek je zemní plyn. V posledních letech však prudce roste počet zařízení využívajících pro svůj provoz bioplyn, skládkový plyn, čistírenský plyn nebo jiná alternativní paliva, jako např. důlní plyn.

Typické oblasti nasazení kogenerace

Kogenerační jednotky je možné využít ve všech objektech s celoročními nároky na odběr tepla, resp. chladu. Jsou to především nemocnice, výtopny, domovy důchodců, plovárny, lázně, zimní stadiony, komunální výtopny, hotely a penziony, obchodní domy či průmyslové závody, v případě využití bioplynu pak čistírny odpadních vod, zemědělské podniky a skládky komunálního odpadu. Ideální je velká a vyrovnaná spotřeba tepla či chladu v průběhu roku.

Kogenerace a pístové spalovací motory

Kogenerace pomocí plynových spalovacích motorů je dnes už velmi rozšířená. Jako palivo se u plynových spalovacích motorů používá především zemní plyn, bioplyn nebo důlní plyn (okrajově potom pyrolýzní plyn, dřevoplyn nebo koksárenský plyn). Vyrábí se ve výkonové řadě od cca 200 kW až do 5 MW.

Mikroturbíny

Mikroturbíny představují zcela novou generaci spalovacích turbín. Využívají vysokorychlostních generátory, které vydrží vysoké otáčky, které jsou pro turbínu typické. Mikroturbíny jsou oproti klasickým spalovacím motorům odlišné zejména v oblastech užití, pořizovacích ale i provozních nákladech. Jsou lépe použitelné v oblastech horké vody, případně pro chlazení. Jejich výhodou jsou velmi nízké emise a hlučnost.

Základní podmínky úspěšné instalace

  • Plné využití tepla případně chladu a to i v letních měsících
  • Vlastní spotřeba vyrobené elektrické energie nebo její dodávka do veřejné sítě.
  • Ideální je velká a vyrovnaná spotřeba tepla či chladu v průběhu roku.
  • Zpracování důkladné ekonomické rozvahy na základě reálných hodnot spotřeb a výnosů.
  • Splnění emisních limitů a limitů hluku.  

Využití kogenerace - trigenerace v různých oborech lidské činnosti (výhody, nevýhody)

Hotely, penziony, ubytovny, bazény
+  dostatečně velká spotřeba tepla pro vytápění či klimatizaci
+  velká a vyrovnaná spotřeba teplé vody v průběhu roku

Obchodní domy
+  značná spotřeba tepla na vytápění a klimatizaci za současně velké spotřeby elektrické energie (osvětlení, pohony atd.)

Nemocnice
+  spotřeba tepla a elektrické energie vysoká a poměrně vyrovnaná
+  vysoká a vyrovnaná spotřeba teplé vody v průběhu celého roku
+ veškerá vyrobená spotřeba elektřiny se zpravidla dá použít pro vlastní spotřebu

Komunální výtopny
+  dodávka tepla a teplé vody do obytných budov, veškerá vyrobená elektřina převážně do rozvodné sítě

Průmyslové podniky
+  výhodné je nasazení tam, kde je zajištěna vlastní spotřeba tepla či chladu a elektrické energie. Zajímavé jsou podniky, kde je celoroční spotřeba tepla či chladu.

Obecné nevýhody

- Poměrně vysoké investiční náklady na zařízení
- Návratnost vložených prostředků je závislá na využití vyrobeného tepla či chladu a elektrické energie
- Ovlivnění ekonomického výsledku změnou cen energetických vstupů, výstupů
- V konkrétních realizačních případech případné komplikace v umožnění uplatnění vyrobené elektrické do distribuční sítě, komplikace s dosažením emisních požadavků či hygienických požadavků hluku.

Příklad 1
Průmyslový areál s centrální kotelnou. V zimním období jsou v provozu teplovodní kotle, které zajišťují vytápění a ohřev TUV. Celoročně jsou pak v provozu parní kotle, které vyrábí páru pro technologické účely. Vzhledem k charakteru odběru elektřiny a tepla v jednotlivých měsících se jeví jako optimální řešení osadit kogenerační jednotku (KGJ) s pístovým spalovacím motorem o elektrickém výkonu 200 kW a tepelném výkonu 270 kW. Omezujícím faktorem pro provoz jednotky je zde uplatnění vyrobeného tepla v letních měsících. Z tohoto důvodu, je KGJ v tomto období využívána jen cca 12 hod./den a slouží k předehřevu napájecí vody a kondenzátů vstupující do parních kotlů. Při počáteční investici 6 120 000 Kč bez DPH je roční úspora cca 1 275 000 Kč a návratnost tedy 4,8 let. V ekonomickém hodnocení využití KGJ je zohledněn příspěvek k elektřině z KVET a také poplatky za regulované služby.

Příklad 2
Nemocniční areál s nově rekonstruovanou kotelnou, která vytápí objekty nemocnice a zajišťuje ohřev TUV. Limitujícím faktorem provozu KGJ je uplatnění zařízení pracující v úrovni horkovodu, proto je v konkrétním případě navržena kogenerace pomocí mikroturbín    spalující zemní plyn. Volba mikroturbíny je daná potřebou vyšší teploty vody na výstupu i vstupu z jednotky než je u klasických pístových KGJ a to s ohledem na rozsah areálu a větší míru užití VZT. Mikroturbina má v porovnání s pístovým spalovacím motorem vyšší investiční náklady, má vše mnohem nižší náklady spojené s vlastním provozem. Pro tuto instalaci je uvažováno s investicí 19 650 000 Kč bez DPH a dobou návratnosti 8 let.

Příklad 3
Pístová spalovací kogenerační jednotka se velmi vhodně začlenila do energetického hospodářství v dalším nemocničním areálu, kde se KGJ o výkonu 200 kW elektrických osadila v rámci rekonstrukce plynové kotelny a nebylo zde zapotřebí vyšší teploty topné vody. Jednotka nyní přispívá k vytápění a ohřevu TUV. Její výkon byl zvolen tak, aby byla provozována během celého roku. V letních měsících je v čase mezi 6:00 až 16:00 provozována na 100% výkon, poté se její výkon snižuje na základě aktuální potřeby elektřiny a tepla v objektech nemocnice. Jednotka je součástí celkové rekonstrukce energetického hospodářství metodou EPC (Energy Performance Contracting), kdy se investiční náklady splácejí s dosažených úspor. Projekt je uzavřen na dobu 8 let. Do té doby se investice do rekonstrukce energetického hospodářství navrátí.

Příklad 4
Strojírenský areál s potřebou chlazení vnitřního vzduchu hal v letních měsících. Díky potřebě k udržení hygienických podmínek vlivem přehřívání výrobních prostor a zároveň přehřívání technologického vybavení v letních měsících se nabízí možnost instalace mikroturbíny doplněné o absorpční chlazení. Daná situace umožňuje uplatnit optimálně navržený výkon turbíny během celého roku. V zimním období je teplo z kogenerace uplatňováno pro vytápění a ohřev TUV, v letním období je pak teplo využito hlavně v procesu absorpčního chlazení. Vyšší investiční náklady v částce 27 000 000 Kč bez DPH jsou návratné za 8 a půl let.