Biomasa - efektivní palivo pro ORC technologii

Začněme krátkou úvahou

Spalováním fosilních paliv vzniká velké množství znečišťujících látek, především však oxid uhličitý, který byl takto navázán z prostředí za miliony let v období, kdy ještě homo sapiens neobýval tuto planetu. (A mohl ji snad obývat, umožňovalo mu to složení plynů v atmosféře?) Dění kolem nás, především globální oteplování a klimatické změny, tak jak je pociťujeme stále častěji mnohde na vlastní kůži, jsou pravděpodobně důsledkem zvyšování koncentrace oxidu uhličitého. Řada vědců to potvrzuje. Je důležité, že si toto začíná uvědomovat i obyvatel modré planety. Kjótský protokol vstoupil v platnost, Evropská unie si stanoví cíle ve využívání obnovitelných zdrojů energie, návrh zákona o podpoře výroby elektřiny z nich přijali naši politici a jeho schválení je v moci prezidenta republiky.

Co je to vlastně biomasa a proč ji považovat za obnovitelný zdroj energie?

Ottův slovník naučný říká: "Biomasa, hmotnost organismů, jejich populací či částí společenstev na plošnou nebo objemovou jednotku." Tolik výklad renomované encyklopedie. Obecně ji lze definovat jako substanci biologického původu neboli hmotu všech organismů na Zemi. Velké množství organických látek vzniká při fotosyntéze z oxidu uhličitého a vody za spolupůsobení enzymů, chlorofylu a světelné energie. Schematicky to lze znázornit následovně:

6 CO₂ + 12 H₂O + světelná energie → (CH₂O)₆ + 6 H₂O + 6 O₂
oxid uhličitý + voda + energie → cukr + voda + kyslík

Při jejím spalování logicky opět oxid uhličitý vzniká. Dochází tedy k uzavřenému procesu, kdy rostliny za svého růstu odebírají z ovzduší CO₂ a při spalování ho do ovzduší opět vracejí. Její množství se činností organismů neustále obnovuje a nedochází tak k jednostrannému narušení rovnováhy prvků a energie v biosféře. Skleníkový efekt se nenavyšuje. Zde je její jednoznačná přednost.

Srovnají-li se fyzikální vlastnosti biomasy (objemová hmotnost, výhřevnost, vlhkost) v podobě dřevního odpadu, štěpky, slámy s uhlím, získá se jednoznačný závěr. Biomasa, ať již ve formě odpadu či účelově vyrobená pro energetické účely, musí být zužitkována v místě jejího vzniku. Dlouhý transport do odlehlých elektráren, jako i zvýšená poptávka podstatně zvyšují její cenu. Tato jinak zbytečná přeprava zatěžuje navíc životní prostředí.

Při výrobě elektřiny ve velkých elektrárenských blocích se využije zpravidla 30 až 55 % energie obsažené v palivu, to proto, že odpadní teplo, které se odvádí z kondenzátoru, se předává do okolí (v obřích chladicích věžích nebo při průtočném chlazení přímo do vodního toku). Elektrická energie je dále rozváděna k místům konečné spotřeby se ztrátou 3 až 4 % a v místě konečné spotřeby je často měněna neefektivně opět na teplo potřebné k vytápění.

V uplynulých deseti letech bylo u nás zrealizováno a uvedeno do provozu více než 20 centrálních výtopen na spalování biomasy s instalovaným výkonem od 1 do 9 MW, z těch nejvýznamnějších můžeme jmenovat Zlaté Hory, Žlutice, Bystřice nad Pernštejnem nebo Hartmanice. Účinnost těchto kotelen se pohybuje mezi 60 a 80 %. A ať už byly tyto náročné investice jakkoliv efektivní, pak v době teroristických útoků a houpajících se cen ropy a zemního plynu jsou velkým plus dávajícím regionům jakousi záruku energetické soběstačnosti. V posledních letech je pozornost směrována ke kogeneraci, která při využití technologie ORC dosahuje celkové účinnosti téměř 90 %!

Autoři článku nesouhlasí s názory některých pracovníků v energetice: "Spalování biomasy spolu s uhlím představuje nejefektivnější a z hlediska životního prostředí nejpřijatelnější způsob plnění závazku dosažení podílu obnovitelných zdrojů na výrobě elektřiny 8 % do roku 2010." Významná podpora spalování biomasy v elektrárnách, které byly vyvinuty pro spalování uhlí, se nejeví jako perspektivní.

Daleko účelnější se jeví ponechat biomasu v regionu, kde vzniká potřeba elektrické energie a tepla. Tím je zde otevřen prostor pro investice do nových technologií např. při využití kogenerace. Další výhodou je snížení zbytečné přepravy biomasy na straně jedné a ztrát z transferu v elektrorozvodné síti na straně druhé. Snáze se vyrovnávají energetické špičky v regionální síti a v neposlední řadě se právě v regionu vytváří nová pracovní místa.

Zvyšování cen biomasy, ať již způsobené dopravou na velké vzdálenosti nebo zvýšenou poptávkou, bohužel k přilákání investic do regionů nepovede!

Investičně náročná řešení jako například systém pro společnou výrobu tepla a elektrické energie z biomasy s využitím tzv. organického Rankinova cyklu bude při stále se zvyšujících cenách paliva nadále rentabilní pouze za předpokladu národních či evropských dotací.

Jak funguje organický Rankinův cyklus "ORC"?

V klasických tepelných elektrárnách je energie tepelná transformována na mechanickou v tepelném oběhu, který nazýváme Rankin - Clausiův cyklus. Tento elektrárenský kondenzační cyklus, ve své podstatě složený ze základních termodynamických změn, používá jako pracovní látku vodu resp. vodní páru. Voda na mezi sytosti, která je přivedena napájecím čerpadlem do parního generátoru (kotle), se v něm ohřívá, odpařuje (mění skupenství) a v parním přehříváku dosahuje parametrů tzv. admisní páry (tlak cca 14,5 MPa, teplota cca 530 °C), která je přivedena do parní turbíny. V parní turbíně pára expanduje (přehřátá pára přechází do oblasti syté páry) a následně mění své skupenství v kondenzátoru, odkud je v kapalném stavu kondenzačním čerpadlem dopravována přes zásobní nádrž a případné doplnění zpět do parního generátoru. Termická účinnost takovéhoto cyklu (poměr tepla přeměněného na mechanickou práci ku teplu přivedenému do oběhu) se u nejmodernějších elektráren pohybuje na úrovni cca 38 %. Ke zvyšování termické účinnosti se zpravidla používá regenerace tj. ohřev napájecí vody v regeneračních ohřívácích mimo vlastní kotel nebo přehřívání páry (omezeno používanými materiály, maximální admisní tlak 15 MPa).

Organický Rankinův cyklus (ORC) je v podstatě elektrárenský kondenzační cyklus, který používá namísto vody resp. vodní páry jako pracovní látku v primárním okruhu směs organických sloučenin (silikonový olej), které jsou svými termodynamickými vlastnostmi vhodné k použití v tepelném oběhu. Výhodou oleje je, že při dané teplotě (např. 300 °C) se udrží v kapalném stavu při značně nižším tlaku než voda. Ve výparníku předává olej teplo do sekundárního okruhu, kde se pracovní organická látka vypařuje, dosahuje většího tlaku než má olej a organické páry jsou vedeny do parní turbíny, kde expandují. Pára je za turbínou vedena do kondenzátoru, kde kondenzuje po odebrání výparného tepla chladicí vodou, která pak dodává teplo do objektů připojených na tuto tepelnou síť. Organické látky použité jako náhrada vody v sekundárním tepelném oběhu musí samozřejmě splňovat přísné předpisy a normy ve vztahu k životnímu prostředí.

Typické využití ORC se nabízí ve spojení s kotelnami na biomasu, kde je primární energie v palivu využita jednak na výrobu tepla, ale i elektrické energie. V takovém případě je celková účinnost kogenerace cca 85 %. Jen pro porovnání, v klasické tepelné elektrárně, kde je teplo z kondenzace odvedeno do okolí, se dosahuje celkové účinnosti cca 30 %. (Je zcela zřejmé, že s potenciálem biomasy tepelné elektrárny nahradit nelze, ale z uvedeného srovnání je téměř povinností státní energetické politiky, aby byla kogenerace z biomasy preferována zřetelněji než doposud.) Parní generátor je zde nahrazen olejovým kotlem a výparníkem. Olej ohřátý v tomto kotli je využíván jako teplonosná látka, jenž přes výparník předává své teplo pracovní látce uzavřeného sekundárního okruhu ORC. Vzniklá sytá pára organických sloučenin je vedena na axiální turbínu, která je přímo spojena s generátorem elektrické energie. Teplo z kondenzátoru, ve kterém náplň ORC okruhu mění své skupenství zpět do kapalné fáze, je vedeno k dalšímu využití (kogenerace). Při vhodném navržení tepelného oběhu lze toto teplo využít např. v systému CZT, případně k jiným účelům. Nabízí se využití u dřevozpracujících provozů k sušení řeziva, kde je kotelna přímo u zdroje paliva.

Schematické uspořádání ORC cyklu při využití kogenerace z biomasy

Z kondenzátoru je náplň ORC dopravována čerpadlem přes regenerátor zpět do výparníku. Spaliny z olejového kotle jsou využity jednak k předehřevu vlastní olejové náplně a předehřevu spalovacího vzduchu pro olejový kotel a též k dohřevu topné vody na požadované parametry pro okruh CZT (viz schéma).

Schéma vlastního ORC oběhu 1 ... sytá pára pracovní látky 1-2 ... expanze na turbíně 2 ... oblast přehřáté páry 2-3 ... ochlazení par organických sloučenin na mez sytosti (vnitřní rekuperace) 3-4 ... kondenzace par pracovní látky (přeměna z plynné na kapalnou fázi) 4-5 ... pracovní látka je dopravována čerpadlem 5-6 ... ohřev pracovní látky přes rekuperátor 6-1 ... ohřev pracovní látky ve výparníku T01 ... teplota oleje olejového okruhu na vstupu do výparníku T02 ... teplota oleje olejového okruhu na výstupu z výparníku W1 ... teplota vody okruhu CZT na vstupu do kondenzátoru (teplota vratné vody sytému CZT) W2 ... teplota vody okruhu CZT na výstupu z kondenzátoru (teplota přívodní vody sytému CZT)

Výhodami oproti klasickým parovodním cyklům jsou především:

nižší otáčky turbíny umožňují přímý pohon generátoru bez převodovky minimální eroze lopatek turbíny vlivem absence kapiček pracovní látky možnost využití energie ze zdrojů s relativně nízkou teplotou nižší tlak a teplota v celém oběhu vyšší životnost nenáročnost na obsluhu odpadá nutnost doplňování a úpravy vody (úniky a doplňování organické pracovní látky v sekundárním okruhu jsou minimální) celkem vysoká účinnost při nižších teplotních spádech nižší provozní náklady

V současné době se ORC systémy dodávají většinou jako standardizované moduly o elektrických výkonech řádově od stovek kW_e do několika MW_e a to v aplikacích pro kombinovanou výrobu elektrické energie a tepla z biomasy, pro zdroje s geotermální energií, ve spojení se solární technologií a při využití odpadního tepla.

Ve volném pokračování tohoto článku se blíže seznámíme s konkrétními projekty, kde je již technologie ORC v provozu nebo se připravuje její spuštění.
Velmi názorný je pohled do rakouského Lienzu, kde je tato technologie již několik let úspěšně v provozu.

Městská teplárna Lienz

Také v Třebíči společnost TTS s.r.o. dokončuje první instalaci kogenerace z biomasy se systémem ORC u nás. Za zmínku stojí i realizace ORC systému v Trhových Svinech, kde se o něco později také spustí výroba el. energie a tepla pomocí této technologie.

Použité materiály:
1) Pastorek Z., Kára J., Jevič P.: Biomasa - obnovitelný zdroj energie, FCC PUBLIC 2004
2) Propagační materiály společnosti TTS eko, s.r.o., Třebíč