Kogenerace

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie (neboli "kogenerace" z anglického "co-generation"), je účinným způsobem využívání energie. Principem kogenerace je využít teplo, které jinak při výrobě elektřiny odchází bez užitku.

Při výrobě elektřiny ve velkých tepelných (uhelných a jaderných) elektrárnách se využije cca 30 % (u starých) a až 42 % (u moderních) energie obsažené v palivu; zbytek se bez užitku odvádí do vzduchu chladicími věžemi. Na druhou stranu u nás existují tisíce městských výtopen a větších kotelen, které z uhlí vyrábějí pouze teplo, ačkoli by mohly produkovat i elektřinu.

V teplárnách a jiných kogeneračních zařízeních, kde se teplo využívá, je spotřeba neobnovitelných fosilních paliv nižší. Tomu odpovídá i snížení emisí škodlivin ze zdrojů energie v globálním měřítku. Kromě významného faktoru decentralizace výroby elektřiny vede použití kombinované výroby elektřiny a tepla ke snížení ztrát v elektrorozvodné síti a k vyšší bezpečnosti dodávek - výpadek jednoho zdroje nemá větší vliv.

Rozdělení tepla přivedeného v palivu (na výrobu elektřiny, tepla a tepelné ztráty) v jednotlivých typech kombinované výroby elektřiny a tepla a porovnání s oddělenou výrobou tepla.

Malé kogenerační jednotky

Běžné kogenerační jednotky mají obvykle relativně malý výkon, desítky až stovky kW elektrického výkonu. Jejich základní částí je obvykle pístový spalovací motor, který pohání generátor proudu. Palivem je nejčastěji zemní plyn, někdy bioplyn nebo skládkový plyn. Palivem může být i dřevoplyn, získávaný v generátoru dřevoplynu.

Kogenerační jednotka se spalovacím motorem se skládá ze zážehového spalovacího motoru pohánějícího přímo alternátor vyrábějící elektřinu a výměníků pro využití odpadního tepla z motoru. Odpadní teplo z motoru je odváděno pomocí dvou výměníků na dvou teplotních úrovních. První výměník odvádí teplo z bloku motoru a z oleje na úrovni cca 80 - 90 °C. Druhý výměník odvádí teplo z odcházejících výfukových spalin o teplotě cca 400 - 500 °C. Výměníky jsou z hlediska průtoku teplonosného média zapojeny do série. Obvykle jsou kogenerační jednotky koncipovány pro dodávku tepla do teplovodního systému 90/70 °C, méně již do systému 110/85 °C resp. 130/90 °C. Kogenerační jednotky se zážehovými spalovacími motory se dodávají o el. výkonech v rozsahu od cca 20 kW do 5000 kW. Na trhu bohužel chybí nejmenší zařízení pro rodinné domky, s tepelným výkonem 5 -10 kW.

Blokové schéma kogenerační jednotky.

Palivové články

Kombinovaná výroba elektřiny a tepla palivovými články je založena na principu chemické reakce plynu s okysličovadlem v tzv. palivovém článku tvořeném vhodnými elektrodami a elektrolytem. Palivo a okysličovadlo se na katalytickém povrchu elektrod ionizují, ionty jsou vedeny elektrolytem k druhé elektrodě a uvolněné elektrony vytvářejí elektrický proud. Tato přímá přeměna energie chemicky vázané v palivu na energii elektrickou není limitována stejnými termodynamickými principy jako ve spalovacích motorech (Carnotův cyklus) a umožňuje tak dosažení vyšší účinnosti. Dalšími výhodami jsou téměř bezhlučný provoz a minimální či nulové emise škodlivin.

Kogenerace s palivovým článkem na zemní plyn.

Nejvhodnějším palivem je vodík, který se však obtížně získává, transportuje a skladuje. Proto existují i články, spalující zemní plyn nebo jiný uhlovodíkový plyn. Okysličovadlem je vždy vzduch.

Produktem reakce je voda, neboť se jedná se o proces inverzní k elektrolýze vody. V palivovém článku je vyráběn stejnosměrný elektrický proud, pro dodávku vyrobené elektřiny do sítě je tedy nutnou součástí střídač.

Palivové články jsou však pro komerční využití stále příliš drahé.

Použití

Z technického hlediska lze kogenerační jednotkou nahradit jakýkoli zdroj tepla (kotel) srovnatelného výkonu. Aby však byla instalace kogenerační jednotky ekonomicky výhodná, je potřeba, aby během roku běžela co nejvíce hodin. Proto bude pracovat nejefektivněji tam, kde je celoročně stálý odběr tepla. Takovým místem mohou být ubytovací zařízení (hotely, penzióny, internáty), bazény, nemocnice, obecní a městské výtopny, sídlištní blokové kotelny a různé průmyslové podniky. Ve větších zařízeních může být kogenerační jednotka jen základním zdrojem tepla, který bude během zimních špiček doplněn běžným kotlem.

Velikost kogenerační jednotky se nejčastěji odvozuje od spotřeby tepla v daném subjektu. Kogenerační jednotka může pokrývat základní spotřebu tepla, špičky pak pokrývá jiný zdroj, např. plynový kotel. Jinou možností však je volba výkonnější jednotky v kombinaci s akumulací tepla. Pak se kogenerační jednotka uvádí do provozu tak, aby dodávala proud v době, kdy je nejvýhodnější tarif výkupních cen elektřiny.

Pokrytí roční spotřeby tepla třemi kogeneračními jednotkami a špičkovacím kotlem.

Vyrobenou elektřinu je možno spotřebovat přímo v objektu, nebo ji prodat do sítě. První způsob je obvykle výhodnější, vzhledem k prodejním a výkupním cenám elektřiny. Je také možné, aby kogenerační jednotka byla jediným zdrojem elektřiny v objektu. V tomto tzv. ostrovním provozu, bez připojení na síť, vzrůstají náklady na regulaci.

Pro návrh kogenerační jednotky je vhodné znát:

• denní a roční harmonogram spotřeby tepla a elektřiny
• druh požadovaného teplonosného média,
• dostupnost jednotlivých paliv,
• stávající instalovaný výkon kotlů a jejich teplotní a tlakové parametry.

Ekonomika provozu

Tam, kde má kogenerační jednotka doplnit nebo nahradit stávající zdroj tepla (kotel), bývá rozhodujícím parametrem krytí vlastní spotřeby elektřiny. Kogenerační jednotka spotřebuje na výrobu jedné kWh elektřiny zemní plyn v ceně cca 2,50 Kč/kWh, servisní náklady jsou cca 0,40 až 0,60 Kč/kWh. Je-li cena elektřiny ze sítě vyšší než 3 Kč/kWh, je už výhodné provozovat kogenerační jednotku pro krytí vlastní potřeby a teplo navíc je "zdarma". Větším odběratelům elektřiny, kteří platí za připojený elektrický příkon a špičkový odběr, může kogenerační jednotka tyto platby výrazně snížit.

Elektřinu z kogenerační jednotky je také možné prodat do veřejné sítě. Provozovatel distribuční soustavy (regionální energetický podnik) je povinen tuto elektřinu vykoupit, jsou-li dodrženy technické podmínky. Výši výkupní ceny předepisuje Energetický regulační úřad (ERÚ), je však možné dohodnout individuálně cenu jinou, zejména pro dodávky ve špičce.

Někteří dodavatelé zemního plynu nabízejí pro kogenerační jednotky speciální ceny plynu.

Výkupní ceny elektřiny z kogenerace z fosilních paliv dle cenového výměru ERÚ pro rok 2005.

Pokud je palivem bioplyn, dřevoplyn nebo jiný druh biomasy, může být ekonomicky výhodnější elektřinu prodat do sítě. I zde je výkup povinný a ceny určuje ERÚ.

Výkupní ceny elektřiny z vybraných obnovitelných zdrojů dle cenového výměru ERÚ pro rok 2005.

Kogenerační jednotka ve venkovním prostředí na skládce Uhy, výkon 350 kW_e, palivo skládkový plyn (zdroj: Motorgas, s.r.o.).

Pro výstavbu kogeneračních jednotek využívajících obnovitelné zdroje energie lze také získat i dotace z různých zdrojů, zejména strukturálních fondů EU, dále České energetické agentury a Státního fondu životního prostředí.

Rozhodnutí o instalaci kogenerační jednotky však musí předcházet pečlivý ekonomický rozbor jejího provozu. V neposlední řadě závisí možnost použití i na způsobu financování stavby (výše úvěru, úroků, doba splatnosti).

kogenerace se stirlingovým motorem