Kogenerácia

Kombinovaná výroba elektriny a tepla pri spotrebe zemného plynu

Kogenerácia

Jeden z vysokoúčinných a zároveň ekologicky prijateľných spôsobov výroby elektriny, ktorý spočíva v efektívnom využití odpadového tepla, ktoré pri výrobe elektriny vzniká.

Príspevok na elektrinu z kogenerácie

Kogeneračný spôsob výroby elektriny je podporovaný v celej Európskej únii. V Slovenskej republike majú prevádzkovatelia kogeneračných jednotiek nárok na príspevok na elektrinu z kogenerácie.

Úspora emisií CO2

S vysokou účinnosťou využitia paliva a veľmi nízkymi výrobnými stratami je úzko späté aj zníženie emisií CO2, ktoré sa pohybuje rádovo v tonách na každú vyrobenú MWh elektriny oproti bežnej výrobe elektriny.

Využitie elektriny a tepla

Elektrina vyrobená v kogeneračnej jednotke sa používa na vlastnú spotrebu objektu, v ktorom je jednotka umiestnená, alebo je možné ju dodávať do siete. Teplo z kogeneračnej jednotky sa využíva na vykurovanie budov, prípravu teplej úžitkovej vody alebo technologického tepla. Kogeneračné jednotky slúžia taktiež ako núdzové zdroje elektrickej energie v miestach jej nepretržitej potreby.

Trigenerácia

Pomocou absorpčného chladiča je teplo vzniknuté v procese kogenerácie možné využiť aj na výrobu chladu na technologické účely alebo klimatizáciu. V takom prípade hovoríme o trigenerácii, kombinovanej výrobe elektriny, tepla a chladu.

Používané palivá

Dominantným palivom pre pohon kogeneračných jednotiek je zemný plyn. V posledných rokoch však prudko rastie počet zariadení využívajúcich na svoju prevádzku bioplyn, skládkový plyn, čistiarenský plyn alebo iné alternatívne palivá, ako napr. banský plyn.

Typické oblasti nasadenia kogenerácie

Kogeneračné jednotky je možné využiť vo všetkých objektoch s celoročnými nárokmi na odber tepla, resp. chladu. Sú to predovšetkým nemocnice, kotolne, domovy dôchodcov, plavárne, kúpele, zimné štadióny, komunálne kotolne, hotely a penzióny, obchodné domy či priemyselné závody, v prípade využitia bioplynu potom čistiarne odpadových vôd, poľnohospodárske podniky a skládky komunálneho odpadu. Ideálna je veľká a vyrovnaná spotreba tepla či chladu v priebehu roka.

Kogenerácia a piestové spaľovacie motory

Kogenerácia pomocou plynových spaľovacích motorov je dnes už veľmi rozšírená. Ako palivo sa v plynových spaľovacích motoroch používa predovšetkým zemný plyn, bioplyn alebo banský plyn (okrajovo potom pyrolýzny plyn, drevoplyn alebo koksárenský plyn). Vyrába sa vo výkonovom rade od cca 200 kW až do 5 MW.

Mikroturbíny

Mikroturbíny predstavujú úplne novú generáciu spaľovacích turbín. Využívajú vysokorýchlostné generátory, ktoré vydržia vysoké otáčky, ktoré sú pre turbínu typické. Mikroturbíny sú oproti klasickým spaľovacím motorom odlišné najmä v oblastiach použitia, obstarávacích ale aj prevádzkových nákladoch. Sú lepšie použiteľné v oblastiach horúcej vody, prípadne na chladenie. Ich výhodou sú veľmi nízke emisie a hlučnosť.

Základné podmienky úspešnej inštalácie

  • Plné využitie tepla prípadne chladu, a to aj v letných mesiacoch
  • Vlastná spotreba vyrobenej elektrickej energie alebo jej dodávka do verejnej siete.
  • Ideálna je veľká a vyrovnaná spotreba tepla či chladu v priebehu roka.
  • Spracovanie dôkladného ekonomického plánu na základe reálnych hodnôt spotrieb a výnosov.
  • Splnenie emisných limitov a limitov hluku. 

Využitie kogenerácie/trigenerácie v rôznych odboroch ľudskej činnosti (výhody, nevýhody)

Hotely, penzióny, ubytovne, bazény
+ dostatočne veľká spotreba tepla na vykurovanie či klimatizáciu
+ veľká a vyrovnaná spotreba teplej vody v priebehu roka

Obchodné domy
+ značná spotreba tepla na vykurovanie a klimatizáciu pri súčasne veľkej spotrebe elektrickej energie (osvetlenie, pohony atď.)

Nemocnice
+ spotreba tepla a elektrickej energie vysoká a pomerne vyrovnaná
+ vysoká a vyrovnaná spotreba teplej vody v priebehu celého roka
+ všetka vyrobená spotreba elektriny sa spravidla dá použiť na vlastnú spotrebu

Komunálne kotolne
+ dodávka tepla a teplej vody do obytných budov, všetka vyrobená elektrina prevažne do rozvodnej siete

Priemyselné podniky
+ výhodné je nasadenie tam, kde je zaistená vlastná spotreba tepla či chladu a elektrickej energie. Zaujímavé sú podniky, kde je celoročná spotreba tepla či chladu.

Všeobecné nevýhody

- Pomerne vysoké investičné náklady na zariadenie
- Návratnosť vložených prostriedkov je závislá od využitia vyrobeného tepla či chladu a elektrickej energie
- Ovplyvnenie ekonomického výsledku zmenou cien energetických vstupov, výstupov
- V konkrétnych realizačných prípadoch prípadné komplikácie v umožnení uplatnenia vyrobenej elektrickej energie do distribučnej siete, komplikácie s dosiahnutím emisných požiadaviek či hygienických požiadaviek hluku.

Príklad 1
Priemyselný areál s centrálnou kotolňou. V zimnom období sú v prevádzke teplovodné kotly, ktoré zaisťujú vykurovanie a ohrev TÚV. Celoročne sú potom v prevádzke parné kotly, ktoré vyrábajú paru na technologické účely. Vzhľadom na charakter odberu elektriny a tepla v jednotlivých mesiacoch sa javí ako optimálne riešenie osadiť kogeneračnú jednotku (KGJ) s piestovým spaľovacím motorom s elektrickým výkonom 200 kW a tepelným výkonom 270 kW. Obmedzujúcim faktorom pre prevádzku jednotky je tu uplatnenie vyrobeného tepla v letných mesiacoch. Z tohto dôvodu je KGJ v tomto období využívaná len cca 12 hod./deň a slúži na predhrievanie napájacej vody a kondenzátov vstupujúcich do parných kotlov. Pri počiatočnej investícii 221 000 EUR bez DPH je ročná úspora cca 46 000 EUR a návratnosť teda 4,8 rokov. V ekonomickom hodnotení využitia KGJ je zohľadnený príspevok k elektrine z KVET a taktiež poplatky za regulované služby.

Príklad 2
Nemocničný areál s práve rekonštruovanou kotolňou, ktorá vykuruje objekty nemocnice a zaisťuje ohrev TÚV. Limitujúcim faktorom prevádzky KGJ je uplatnenie zariadení pracujúcich v úrovni horúcovodu, preto je v konkrétnom prípade navrhnutá kogenerácia pomocou mikroturbín spaľujúcich zemný plyn. Voľba mikroturbíny je daná potrebou vyššej teploty vody na výstupe aj vstupe z jednotky než je pri klasických piestových KGJ, a to s ohľadom na rozsah areálu a väčšiu mieru použitia VZT. Mikroturbína má v porovnaní s piestovým spaľovacím motorom vyššie investičné náklady, má však oveľa nižšie náklady spojené s vlastnou prevádzkou. Pre túto inštaláciu sa uvažuje s investíciou 709 000 EUR bez DPH a s návratnosťou 8 rokov.

Príklad 3
Piestová spaľovacia kogeneračná jednotka sa veľmi vhodne začlenila do energetického hospodárstva v ďalšom nemocničnom areáli, kde sa KGJ s výkonom 200 kW elektrických osadila v rámci rekonštrukcie plynovej kotolne a nebola tu potrebná vyššia teplota vykurovacej vody. Jednotka teraz prispieva k vykurovaniu a ohrevu TÚV. Jej výkon bol zvolený tak, aby bola prevádzkovaná počas celého roka. V letných mesiacoch je v čase medzi 6:00 až 16:00 hod. prevádzkovaná na 100 % výkon, potom sa jej výkon znižuje na základe aktuálnej potreby elektriny a tepla v objektoch nemocnice. Jednotka je súčasťou celkovej rekonštrukcie energetického hospodárstva metódou EPC (Energy Performance Contracting), keď sa investičné náklady splácajú z dosiahnutých úspor. Projekt je uzavretý na obdobie 8 rokov. Dovtedy sa investícia do rekonštrukcie energetického hospodárstva vráti.

Príklad 4
Strojárenský areál s potrebou chladenia vnútorného vzduchu hál v letných mesiacoch. Vďaka potrebe udržania hygienických podmienok vplyvom prehrievania výrobných priestorov a zároveň prehrievania technologického vybavenia v letných mesiacoch sa ponúka možnosť inštalácie mikroturbíny doplnenej o absorpčné chladenie. Daná situácia umožňuje uplatniť optimálne navrhnutý výkon turbíny počas celého roka. V zimnom období je teplo z kogenerácie uplatňované pri vykurovaní a ohreve TÚV, v letnom období je potom teplo využité hlavne v procese absorpčného chladenia. Vyššie investičné náklady v sume 975 000 EUR bez DPH sú návratné za 8 a pol roka.