Kombinovaná výroba elektriny a tepla využitím zemného plynu

Možnosti využitia kombinovanej výroby a riziko obmedzenia systému podpory

Hlavný dôvod pre použitie kogeneračných jednotiek, t.j. zariadení pre kombinovanú výrobu tepla a elektrickej energie je vyššia účinnosť premeny energie (v palive) na inú formu energie, v tomto prípade na tepelnú a elektrickú. Pri kombinovanom spôsobe výroby energie dochádza k šetreniu primárnej energie (obrázok č.1), v porovnaní s oddelenou výrobou tepla a elektriny, až o 40 %. Priamym dôsledkom šetrenia primárneho paliva je pokles emisií, ktoré vznikajú pri horení. Moderné spôsoby odstraňovania škodlivín (zo spalín) držia emisie ako NOx, CO, CO2, SO2 na veľmi nízkych úrovniach. To je možné docieliť (spaľovací motor) sériovo zapojeným trojcestným katalyzátorom s Lambda sondou. 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 napr. minimálne o 25 % menej NOx.

 

Obr.1: Porovnanie – oddelená a kombinovaná výroba elektriny a tepla

V súvislosti s kogeneráciou sa hovorí o technických systémoch – plynové motory, plynové turbíny, parné a plynové turbíny, a to na základe spaľovania zemného plynu (resp. iného fosílneho paliva). Ďalší možný systém (pri určitých okrajových podmienkach) je previazanie plynovej turbíny na parnú kondenzačnú turbínu – a to tam, kde je prvoradá výroba elektrickej energie. Kogeneračné jednotky je teda možné navrhovať ako na potrebu tepla, tak aj elektrickej energie, vždy podľa konkrétnych podmienok.

 

Obr.2: Kogeneračná jednotka (ilustračný obrázok)

Účinnosť výroby elektrickej energie v kogeneračných jednotkách, podľa výkonu, sa pohybuje v intervale (30 – 45 %). Moderné paroplynové cykly dosahujú účinnosť okolo 60 %.

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 medzera%) sa za pomoci sústavy výmenníkov využije na ohrev vody, resp. iného technologicky vhodného média. Tepelný výkon kogeneračnej jednotky je potom súčet tepelných výkonov jednotlivých okruhov (výmenníkov tepla) – výmenník chladenia motora (primárny okruh), spalinový výmenník a kondenzačný nízkoteplotný výmenník tepla (sekundárny okruh) (obrázok č.3).

 

Obr.3: Využitie tepla a mechanickej energie v kogeneračnej jednotke

Použitím Organického Rankinovho cyklu je možné časť tepelného výkonu následne využiť na dodatočné generovanie elektrickej energie, čím sa elektrická účinnosť kogeneračnej jednotky zvýši až na 55 % v neprospech tepelnej účinnosti (žiaduci efekt).

V paroplynových cykloch je princíp totožný. Palivo sa privedie do spaľovacej turbíny, kde sa časť energie premení na mechanickú, ktorá sa využije na generovanie elektrickej energie. Spaliny o vysokej teplote sa privedú do spalinového parného kotla (môže byť s, alebo bez prikurovania), kde sa vyrobí vodná para o požadovaných parametroch, a tá sa následne využije v parnej protitlakej, alebo kondenzačnej turbíne. Mechanická energia z parnej turbíny sa opäť využije na generovanie elektrickej energie. Zvyšná para (teplo) sa využije na vykurovanie, resp. technologické účely.

Kombinovaná výroba elektriny a tepla, často využívaná ako decentralizovaný, resp. lokálny energetický zdroj, môže mať vďaka svojmu umiestneniu v blízkosti konečných spotrebiteľov, či už priemyselných prevádzok alebo domácností, v porovnaní s centrálnym zdrojom, nižšie prenosové straty.

 

Kombinovaná výroba elektriny a tepla zohráva dôležitú úlohu nielen v priemysle, ale svoje využitie nachádza aj v ostatných sférach, napríklad komunálna sféra, zdravotnícke zariadenia, školy, kúpaliská či plavárne.

Pre efektívne využitie kogenerácie je potrebné, aby technológia spĺňala nasledovné parametre:

  • v prevádzke aspoň 6000 hodín ročne,
  • efektívne využité celé množstvo vyrobeného tepla a elektriny,
  • rovnomerný  a vyrovnaný priebeh spotreby elektriny a tepla,
  • optimálny pomer medzi potrebou elektrického a tepelného výkonu.

Zatiaľ menej rozšírené sú na Slovensku kogenerácie s menším výkonom, tzv. mikrokogenerácie, ktoré môžu byť efektívnym zdrojom v malých prevádzkach, alebo väčších rodinných domoch, resp. v sústave rodinných domov.

 

Zdroj: prevádzkovateľ internetových stránok

* Ilustračný obrázok (zdroj: www.istockphoto.com)