Využití plynových agregátů jako záložních zdrojů

Lekce z nedávných přírodních katastrof, rozvíjející se trhy s elektrickou energií a pokroky v technologii motorgenerátorů mění pohled a požadavky na záložní zdroje. Dnešní agregáty na zemní plyn se stále více vyrovnávají tradičním záložním naftovým generátorům. Otvírají se tak příležitosti pro snížení nákladů na elektřinu a ke zvýšení energetické soběstačnosti.

Plynový záložní zdroj?

Superbouře Sandy, záplavy a další nedávné katastrofy nás mnohému naučily: naftové generátory nejsou nutně ideálním náhradním zdrojem elektrické energie.

Sandy způsobila záplavy a výpadky proudu, které ovlivnily mnoho palivových terminálů, zatímco stromy popadané na elektrická vedení  odřízly tisíce ulic a silnic, a zabránily tak dodávce motorové nafty do zařízení, která ji potřebovala. Některým naftovým záložním zdrojům došlo palivo a byly odstaveny. Oproti tomu regionální sítě zemního plynu zůstaly téměř nedotčené a byly plně v provozu.

Zkušenosti se Sandy a dalšími katastrofami zapříčinily, že provozovatelé záložních zdrojů a místní orgány začali přehodnocovat potenciál plynem poháněných motorgenerátorů jako záložních zdrojů. Zároveň výrobci přizpůsobují schopnosti plynových motorů tak, aby upevnili svoje postavení na trhu náhradních zdrojů. Modifikace a inovace snížily výhodu, kterou klasické naftové motory držely v rychlosti startování a převzetí zátěže.

Dalším důvodem k nasazení plynového agregátu je i jeho možnost využití nad rámec pouhého záložního zdroje. Zatímco emisní limity silně omezily roční provozní hodiny naftových agregátů mimo skutečnou pohotovostní službu, dnešní plynové motory se spalováním ochuzené směsi mohou obecně běžet delší dobu v souladu s legislativou a předpisy o čistotě ovzduší.

To znamená, že záložní zdroje poháněné plynovým palivem mohou v mnoha případech sloužit také jako zdroje energie pro špičkování nebo sloužit jako podpůrný zdroj přenosové soustavy. Výsledné úspory elektrické energie tak přináší rychlou návratnost investice do plynem poháněného záložního zdroje – jasná výhoda oproti dieselagregátu, kde o návratnosti investice nemůže být řeč.

Plyn nebo nafta?

Naftové motorgenerátory ovládly trh záložních zdrojů zejména z těchto důvodů: nízké náklady na instalaci, rychlý start a téměř okamžité převzetí požadované zátěže.

V typické aplikaci nemusejí naftové motory během daného roku vůbec běžet, kromě pravidelného testování a zkoušení a v období skutečné pohotovosti, což jsou velice krátké časové úseky. To znamená, že náklady na provoz a údržbu – pokud neuvažujeme dlouhodobý provoz – jsou u náhradního zdroje méně důležité.

Typické naftové motory certifikované EU Stage II stojí při instalaci o 20 až 40 procent méně na kW než srovnatelné plynové jednotky. Nicméně náklady na plynové motory jsou přibližně stejné, jako je tomu u naftových motorů EU Stage IIIB, které jsou vybavené následným zpracování výfukových plynů, jako jsou filtry pevných částic a selektivní katalytické redukční systémy.

Pokud jde o převzetí zatížení, naftové motory tradičně reagují rychleji než plynové, a to z důvodu podstatných rozdílů v tom, jak je do válců vháněna směs paliva a vzduch. U naftových motorů je palivo přímo vstřikováno do válců. Když systém vyžaduje výkon, je doba otevření vstřikovače delší, což umožní vstříknutí většího množství paliva, ve válci je již přítomen zbytkový vzduch. Teplejší vzduch prochází výfukovým potrubím do turbodmychadla, které se otáčí rychleji, tím se zvýší proudění vzduchu v motoru a proces začíná znovu, nyní s vyšší kompresí vzduchu pro vytvoření vyššího výkonu.

U plynových motorů je proces pomalejší. Motory jsou karburátorové, což znamená, že palivo se musí před dodáním do válců smísit se vzduchem ve správném poměru. Když systém vyžaduje výkon, škrticí klapka se otevře a vpustí více směsi vzduch/palivo. Tato směs pak musí projít přes turbodmychadla, chladič plnicího vzduchu, škrticí klapku a sací potrubí, než dosáhne válců. Jiskra zahájí spalování a směs hoří. Teplejší vzduch prochází přes výfukové potrubí do turbodmychadla. Turbodmychadlo se otáčí rychleji, tím se zvýší proudění vzduchu v motoru. Regulační ventil paliva zvýší množství dodávaného paliva, aby vyrovnal zvýšené proudění vzduchu, a proces začíná znovu, nyní s vyšší kompresí vzduchu/paliva pro vytvoření vyššího výkonu. Celý tento proces je delší než u naftových motorů.

V praxi to znamená, že zatímco naftové generátorové soustrojí může typicky nastartovat a převzít plné zatížení přibližně do 10 sekund, plynové motory mohou potřebovat podstatně více času. Například motorgenerátor dimenzovaný na více než 2,5 MW může potřebovat až 120 sekund, než je schopen převzít plné zatížení, a pravděpodobně ještě delší dobu u nízkootáčkového motoru (1 200 ot/min). Na druhou stranu některé menší, vysokootáčkové agregáty (1 800 ot/min) přejdou po nastartování do plného zatížení za 60 sekund nebo v některých případech i značně rychleji s plně přijatelnými krátkodobými poklesy napětí a frekvence, pokud jsou zatíženy lineárně spíše než blokově.

Aplikace plynových záložních zdrojů

Majitelé či provozovatelé objektů, zvláště z oblasti kritické infrastruktury, jako jsou nemocnice a datová centra, mohou ve výběrových řízeních klást velice vysoké požadavky na agregát a rychlost převzetí zátěže, i když tyto požadavky nejsou přímo opodstatněné. V takových případech stojí za to uvážit, zda by kompromis v požadavcích, jako například delší interval pro zvládnutí plného zatížení, nemohl ušetřit značné náklady na instalaci. Pečlivá analýza může snadno vnést do hry také plynem poháněné agregáty, v jejichž případě se dokonce může investice do záložního zdroje i vrátit.

Výrobci se mezitím zaměřují na fyzikální faktory u plynových motorů, které ovlivňují jejich schopnost přijmout zatížení – zejména na tlak paliva a omezení spojená s palivovým filtrem. Množství emisí je další faktor – motory s nejnižšími emisemi NO_x jsou pomalejší při převzetí zátěže. Neustálé pokroky v technologii záložních plynových motorů pokračují ve zkracování časů pro zvládnutí plného zatížení.

Jedním takovým pokrokem je i možnost přechodného obohacení s přemostěním turbodmychadla, které je integrováno do elektronického řídicího systému motoru. Přechodné obohacení zvyšuje poměr vzduchu a paliva, když je uplatněno blokové zatížení, což umožňuje, aby motor reagoval rychleji. Když je zatížení rychle odstraněno, ovládání přemostění turbodmychadla rozptýlí přebytečný tlak do systému: otevře se ventil, aby odvedl přebytečný vzduch a palivo zpět do přívodu turbodmychadla, tím se zabrání možnému překročení otáček.

Náklady na životní cyklus

Zatímco EU Stage II agregáty vyhrávají ve sprintu záložních zdrojů díky výhodě v podobě nízkých pořizovacích nákladů, tak plynové zdroje vyhrávají maratonským způsobem, když uvážíme všechny náklady včetně provozu a údržby po celou životnost stroje.

Provozní náklady záložních zdrojů jsou v mnoha případech relativně nízké, ale nejsou nutně bezvýznamné. I když je pravda, že většina výpadků proudu je krátká, dopad delšího výpadku na náklady může být značný. Superbouře Sandy například přinesla výpadky trvající až 22 dnů, erupce Sv. Heleny v roce 1980 způsobila přerušení dodávky elektřiny trvající v některých oblastech déle než rok.

U dlouhodobých výpadků mají jasnou výhodu plynové agregáty se svojí 40 až 44 procentní elektrickou účinností vůči 33 až 38 procentům u dieselagregátů a samozřejmě cenou paliva. Pro ilustraci předpokládejme 100 hodin provozu – plynový agregát o výkonu 1,5 MW spotřebuje v palivu o 34 000 dolarů (cca 736 000 korun) méně než naftový agregát podobné velikosti.

Zdánlivě jednoduchým řešením je nainstalovat větší zásobníky na naftu, ale i to má jisté nevýhody: zvyšuje to náklady na skladování a ochranu paliva. Nádrže a systém zásobování vyžadují údržbu na ochranu integrity paliva. Dlouhodobé vystavení vzduchu může způsobit oxidování paliva. Změny okolní teploty mohou vést ke kondenzaci v nádržích a možnému růstu řas, což může způsobit korozi nádrží a komponent, filtrů zátek, a narušit tak výkon motoru.

Při chladných teplotách tvoří parafín obsažený v naftě voskové krystaly, které mohou pokrýt palivové filtry. Při stálých nízkých teplotách může palivo rosolovatět a nebude téct. I při nejlepší péči má nafta skladovatelnost přibližně jeden rok, potom se musí vyměnit nebo musí být použit filtrační (čisticí) systém, aby odstranil vlhkost a částečky. Paliva s nízkým obsahem síry, napomáhající snížení znečištění vzduchu, jsou obzvlášť náchylná k rozkladu, protože proces rafinace, který odstraní síru, odstraní také složky, které pomáhají udržet palivo stabilní.

Flexibilita využití

Největší výhodou plynového zdroje může být jeho potenciální využití pro špičkování nebo jako služby pro stabilizaci přenosové soustavy. Zatímco emisní předpisy obecně omezují naftové motory na 300 hodin provozu ročně, plynové motory mohou typicky pracovat po neomezený počet hodin
v souladu s platnou legislativou.

Spolehlivost

Ať je to plyn nebo nafta, záložní zdroje vyžadují pečlivou údržbu. Reálně to znamená o trochu víc než pravidelné kontroly, výměny kapalin a testování v souladu s doporučením výrobce vybavení. Bohužel i tyto základní kontroly jsou zanedbávány častěji, než byste čekali. Nejčastější příčiny selhání nastartování v nouzi jsou vybité baterie, opomenutí nastavit systém do režimu automatického nastartování, žádné nebo nesprávné palivo, nízké hladiny kapalin či kontaminace filtru.

Údržba se stává obzvlášť důležitou při dlouhodobých pohotovostech, které mohou vyžadovat, aby agregáty fungovaly nepřetržitě až několik stovek hodin. Musí být učiněna opatření pro provádění kontrol, výměn oleje a filtru, doplňování paliva a dalších základních úkolů údržby podle potřeby. Je také nezbytné mít dostatečné zásoby kritických náhradních dílů, oleje, kapalin a filtrů. Údržba je také naléhavější tam, kde jsou plynové generátory v provozu mnoho hodin.

Shrnutí

Zdálo by se, že dieselové agregáty budou vždy mít na trhu záložních zdrojů jedinečnou pozici. Ale jejich dominance se postupně vytrácí.  Výrobci uvádějí stále nové a dokonalejší typy plynových strojů s lepšími transientními charakteristikami. Nové typy plynových motorů Cat^® řady G3500 dokážou převzít až 100 % zatížení do několika málo minut, při použití technologie Cat^® Fast Response Modul se bavíme dokonce o pár desítkách vteřin a to vše při dodržení tolerancí dle normy ISO 8528.

Plynové agregáty pravděpodobně stále ještě nejsou tak dokonalé jako jejich dieselové protějšky. Pokud ovšem dokážou splnit požadavky provozovatele, lze doporučit zvážení dalších výhod plynu, aby bylo možné zvolit nejlepší řešení. Klíčovým bodem je to, že plynová varianta je nyní zpět ve hře.  Po dlouhou dobu se předpokládalo, že dieselové jednotky jsou jedinou volbou pro záložní zdroje.  Ale mezi zlepšující se plynovou technologií a zpřísňujícími se emisními předpisy se plynové záložní zdroje opět staly životaschopnou možností.

A rada na konec. Ať už se rozhodnete pro naftový nebo plynový agregát, obracejte se pouze na společnosti, které mají dlouhodobé zkušenosti, kvalitní servisní zázemí a mohou standardně nabídnout plynové a naftové jednotky v odpovídajících výkonech.

Literatura:

1. Swathwood J., Owen M., Devine M.: The Case for Natural Gas Engines for Standby Power Caterpillar Inc., www.cat.com
2. Owen M.: Natural Gas: A Better Option for Your Standby Application? Caterpillar Inc., www.cat.com
3. Firemní materiály Zeppelin CZ s.r.o., www.zeppelin.cz
4. Kuchta K.: Musí mít záložní elektrocentrály vždy dieselový motor? Technický týdeník 2014