Kogenerace - princip, technologie a výhody

Kogenerace, nebo také kombinovaná výroba elektřiny a tepla (KVET), je efektivní, spolehlivý a především ekologicky šetrný způsob výroby elektrické energie, při kterém, jak již název napovídá, dochází současně k dodávce tepla.

Právě dodávka tepla, které je při samostatné výrobě elektřiny v konvenčních zdrojích vypouštěno bez využití do ovzduší, představuje často velmi podstatné zvýšení celkové účinnosti energetického procesu, jež u moderních technologií kogenerace často přesahuje 90 %. Pro srovnání, u klasických zdrojů elektrické energie se účinnost využití energie obsažené v palivu pohybuje v rozmezí 30 – 40 %.

V následujících odstavcích bude blíže představen princip KVET a výhody, které s sebou tento způsob výroby elektřiny a tepla přináší. Dále budou představeny některé konkrétní technologie, které se dnes v širší míře využívají.

Princip kogenerace

Kogenerace představuje současnou výrobu elektřiny a tepla s požadovanými kvantitativními a kvalitativními parametry. Jak je již uvedeno výše, hlavním rozdílem mezi konvenčními zdroji elektrické energie a zdroji fungujícími na principu kogenerace je efektivní využití tepla, které je při klasické výrobě elektřiny vypouštěno do okolí.

Kogenerační jednotky jsou navíc vyráběny v širokém výkonovém rozsahu od jednotek kWe (kilowatt elektrický) až po stovky MWe (megawatt elektrický). Mohou tak být využity jak pro zásobování celých měst, tak pro dodávku elektřiny a tepla pro průmyslové podniky nebo bytové domy.

Na následujícím obrázku je zobrazen popisovaný princip.

Z obrázku je patrné, že kogenerační jednotky mohou využívat mnoho druhů paliv přes uhlí, zemní plyn, biomasu, topné oleje až po různá biopaliva. Také technologie využitá pro kogenerační výrobu nabízí široký výběr, který je přitom úzce spjatý s požadovaným dodávaným výkonem.

Na obrázku jsou představeny 4 druhy kogenerace – motor/generátor, plynová turbína/generátor, parní turbína/generátor a palivový článek. První tři jmenované typy budou blíže představeny v následující kapitole. Co se týče palivových článků, ty jsou prozatím ve fázi pilotních projektů a na své širší využití v praxi si pravděpodobně ještě pár let počkají.

Výhody kogenerace

Hlavní výhodou kogenerace při porovnání s klasickými zdroji energie (např. kondenzační elektrárna) je výrazně vyšší účinnost využití energie obsažené v palivu. Jak je již uvedeno výše, moderní kogenerační jednotky se často pohybují nad hranicí 90% účinnosti. Se zvýšenou účinností je dále spjata často nemalá úspora paliva.

Co se týče širokého rozmezí výkonů kogeneračních jednotek, tak především malé kogenerační jednotky, jejichž počet instalací rok od roku roste, poskytují další podstatnou výhodu, a to snížení nebo úplné odstranění ztrát spojených s přenosem a distribucí elektřiny a tepla.

Kogenerace tedy přináší výhody jak pro koncové spotřebitele energie, tak pro společnost a především životní prostředí. Mezi hlavní výhody patří:

• Zvýšení celkové účinnosti energetické přeměny
• Snížení emisí skleníkových plynů včetně CO2
• Vysoké úspory paliva a s tím související snížení nákladů na výrobu elektřiny a tepla
• Příležitost k rozvoji decentralizované výroby elektřiny a tepla, při které jsou výrobní jednotky projektovány přímo na míru potřeby konečných spotřebitelů
• V případě decentralizované výroby, jak je již uvedeno výše, dochází ke snížení nebo k úplnému odstranění přenosových a distribučních ztrát
• Zvýšení zabezpečení dodávek energie v dané lokalitě
• Příležitost ke zvýšení počtu výrobců elektřiny a tepla, což vede k větší konkurenci

Využívané technologie

Přestože v posledních letech zažívá kogenerace velký rozvoj, popsaný princip současné výroby elektřiny a tepla probíhá již mnoho let v rámci tepláren, které využívají většinou parní turbíny. Také plynové a paroplynové elektrárny umožňují svým principem současnou výrobu elektřiny a tepla. Rozvoj v posledních letech je spojen především s menšími kogeneračními jednotkami spalujícími například zemní plyn o výkonech v řádu desítek kilowattů až jednotek megawattů elektrických. Kromě těchto jednotek se také v poslední době uplatňuje kogenerace založená na tzv. ORC cyklu.

Všechny zmíněné technologie kogenerace (kromě paroplynové elektrárny, která je detailně popsána v tomto článku) jsou popsány v této části.

Kogenerace s využitím parní turbíny

Výrobu elektřiny parní turbínou je možné zjednodušeně popsat na základě níže uvedeného pracovního diagramu a tzv. T-S diagramu, na kterém je zachycen termodynamický cyklus pracovního media (vody) zvaný Rankinův cyklus.

Na obrázku jsou zachyceny 4 základní komponenty celého cyklu – kotel (boiler), turbína (turbine), kondenzátor (condenser) a čerpadlo (pump). V popisovaném cyklu pro kondenzační turbínu je nejdříve čerpadlem zvášen tlak vody na požadovanou úroveň a voda je následně přivedena do kotle. Tam je přivedena k varu a vzniklá pára, která je často přehřátá (tzn. o teplotě vyšší než 100 °C) je přivedena do parní turbíny, kde expanduje (dochází ke snížení tlaku), přičemž roztáčí turbínu a s ní spojený alternátor a tím dochází k výrobě elektřiny. Typické hodnoty tlaku páry na vstupu do parní turbíny jsou 4 až 13 MPa a na výstupu kondenzační turbíny potom 4 až 5 kPa. Pára následně zkondenzuje v kondenzátoru a celý cyklus začíná znovu.

Právě při kondenzaci v kondenzátoru dochází ke zmíněnému vypouštění tepelné energie do okolí bez užitku.

Parní turbínu lze obecně rozdělit na dva typy – protitlakou a kondenzační. Obě tyto turbíny jsou využívány ke kogeneraci.

Kogenerace s protitlakou turbínou

Protitlaká turbína je nejjednodušší konfigurace. Její schéma je zobrazeno na následujícím obrázku.

Jak je patrné z obrázku, hlavní rozdíl mezi klasickou výrobou elektřiny v kondenzační parní turbíně bez dodávky tepla je dodávka páry po expanzi v turbíně do technologického procesu nebo do soustavy zásobování teplem namísto její kondenzace v kondenzátoru. Pára přitom opouští turbínu při tlaku vyšším než tlak atmosferický (101 325 Pa) a odtud plyne název protitlaká.

Na obrázku je dále naznačeno, že pára může být s turbíny odebírána na několika tlakových úrovních, dle potřeby spotřebitele. Jelikož je voda použitá v parním procesu speciálně upravená, je třeba zajistit návrat kondenzátu do parního procesu nebo adekvátní dodávku upravené vody.

Protitlaká turbína má v porovnání s kondenzační několik výhod:

• Jednoduchá konfigurace
• Omezená nebo žádná potřeba chladící vody
• Vysoká celková účinnost cyklu, jelikož žádné teplo není v kondenzátoru vypouštěno do okolí
• Vyhnutí se nákladům na drahé nízkotlaké části turbíny

Na druhou stranu má následující nevýhody:

• Pro stejný elektrický výkon je turbína větší
• Průtok páry turbínou závisí na odběru tepla za turbínou, což má za následek výrobu elektřiny řízenou požadavky na odběr tepla.

Kogenerace s kondenzační turbínou

V případě využití kondenzační turbíny pro kogeneraci je pára z turbíny odebírána na několika tlakových úrovních přímo z turbíny. Zbylá pára expanduje v turbíně při výrobě elektřiny a následně kondenzuje v kondenzátoru při tlaku 4 až 5 kPa. Schéma tohoto cyklu je zobrazeno v následujícím obrázku.

V porovnání s protitlakou turbínou turbínou má kondenzační parní turbína jednu velkou výhodu – řízení výroby elektřiny nezávisle na dodávce tepla. Na druhou stranu má několik nevýhod. Například vyšší investiční náklady a nižší celkovou účinnost energetické přeměny.

Kogenerace s plynovými motory

Tyto kogenerační jednotky patří do skupiny malých kogeneračních jednotek na zemní plyn či bioplyn s výkonem v rozmezí desítek kWe až jednotek MWe, které jsou využívány při zmíněné decentralizované výrobě. Jedná se zároveň o jeden z nejefektivnějších způsobů výroby elektřiny, jelikož celková účinnost využití paliva se u těchto jednotek pohybuje nad hranicí 90 %. Jako palivo může být přitom použit zemní plyn, bioplyn nebo další topné plyny.

Plyn je nejdříve v motoru spálen za účelem výroby elektřiny. Následně je z jednotlivých částí motoru a ze spalin získáváno teplo dodávané spotřebiteli.

Schématicky je tento proces zobrazen na následujícím obrázku.

Kogenerace s ORC cyklem

Kogenerační jednotky s ORC cyklem patří mezi zdroje KVET spalující biomasu. Organický Rankinův cyklus je v podstatě totožný s klasickým Rankinovým cyklem popsaným výše s rozdílem pracovního média, kterým není voda, ale látka s nižší teplotou varu (např. některé druhy silikonového oleje).

Typická kogenerace s ORC cyklem je založena na následujícím principu:

• Biomasa (dřevní štěpka, pelety, kůra, …) je spalována v kotli
• Horký termoolej (typicky o teplotě 300 °C) je v kotli ohříván a následně veden do parního generátoru (evaporator), kde předává teplo pracovní látce, která se vypařuje. Odtud je ochlazený čerpán cirkulačním čerpadlem zpět do kotle (furnace).
• Páry organická pracovní látky (silikonový olej) expandují v turbíně, přičemž dochází k výrobě elektřiny.
• Páry pracovní látky poté v tzv. regeneračním ohřevu předávají část tepla zkapalněné pracovní látce vstupující do parního generátoru.
• Následně dochází ke kondenzaci pracovní látky a teplo z kondenzátoru je dodáváno konečnému spotřebiteli nebo do soustavy zásobování teplem.

Popisovaný cyklus je zobrazen na obrázku níže.

Ve srovnání s kogenerací používající parní turbínu má využití ORC cyklu následující výhody:

• Vysoká celková účinnost (v praxi kolem 80 %)
• Vysoká životnost turbíny a dalších částí cyklu díky vlastnostem organického pracovního media (např. nezpůsobuje korozi turbíny)
• Není třeba budovat úpravnu vody
• Díky využití termooleje, který je i při 300 °C stále v kapalném stavu při tlaku blízkém atmosférickém tlaku není třeba zvlášť vyškolená obsluha elektrárny
• Možnost využití nízkopotenciálového tepla (odpadní teplo z průmyslových procesů nebo méně kvalitní paliva)