ORC technologie v realizaci (I) - Lienz, Třebíč

Teplárna na biomasu Lienz
Lázeňské město Lienz se svými 12 tisíci obyvateli se nachází ve východní části spolkové republiky Tyrolsko na jihu Rakouska. Teplárna na biomasu, která byla dokončena v roce 2003, zásobuje dodávkou tepla zhruba 70 % města. Vlastníkem a provozovatelem teplárny je Městská teplárna Lienz s.r.o.

V teplárně jsou instalovány dva kotle na spalování biomasy. První termoolejový kotel slouží k ohřevu oleje využívaného pro výparník ORC cyklu, jeho jmenovitý tepelný výkon je 6,5 MW_t. Druhý teplovodní kotel, o jmenovitém tepelném výkonu 7 MW_t, slouží k ohřevu topné vody pro systém CZT.

Dále je instalován kotel spalující lehký topný olej, o jmenovitém tepelném výkonu 11 MW_t, který slouží k pokrytí špičkového výkonu a zároveň plní funkci záložního zdroje tepla. Tento kotel dodává 4 % z celkové dodávky tepla a jeho instalace umožnila navrhnout kotle na biomasu o 40 % menší, jelikož nemusí pokrývat dodávku tepla do systému CZT v období výkonových špiček.

Jelikož si Rakušané potrpí na propagaci čistých zdrojů energie, tak i zde je jako doplňující zdroj tepla instalován solární systém o celkové ploše 630 m², jeho funkce je ale spíše estetická a propagační. Údajně se podílí dodávkou tepla do systému CZT ve výši 250 MWh/rok.

Princip společné výroby tepla a elektrické energie z biomasy s využitím ORC cyklu, jenž byl popsán již dříve v článku Biomasa - efektivní palivo pro ORC technologii, je zde zachován. Instalovaný elektrický výkon v modulu ORC, který dodala italská firma Turboden, je 1 MW_e.

Za zmínku stojí systém čištění spalin z obou kotlů na spalování biomasy. Spaliny jsou z kotlů vedeny přes předehřívač spalovacího vzduchu (Luvo) do multicyklonového odlučovače (první stupeň čištění spalin). Jejich teplota je kolem 200 °C. Následně jsou spaliny vedeny přes vodní ekonomisér, kde se částečně využije jejich teplo pro systém CZT, do "mokrého" elektrofiltru (druhý stupeň čištění spalin). V elektrofiltru se spaliny ochlazené na teplotu cca 90 °C vyčistí na hodnotu obsahu tuhých látek 10 mg/Nm³ a jsou vedeny do vzduchového chladiče, kde po ochlazení venkovním vzduchem částečně zkondenzují. Takto vyčištěné spaliny a ohřátý venkovní vzduch jsou míchány v komíně, ze kterého není viditelná vystupující vodní pára, pokud venkovní teplota neklesne pod cca -5 °C. Otázkou zůstává, zda je nutné a efektivní chladit spaliny venkovním vzduchem pouze z důvodu absence vodní páry nad komínem, vždyť spotřeba energie pro pohon ventilátoru, jenž do chladiče přivádí venkovní vzduch, nebude zanedbatelná.

Celková produkce tepla z biomasy dosahuje velikosti 60 000 MWh/rok, elektrická energie vyrobená z biomasy dosahuje 7 200 MWh/rok.
Celkové investiční náklady na realizaci teplárny byly ve výši 7,7 mil. €, na síť CZT pak ve výši 15,4 mil. €.

Obr. 1 - Systém čištění spalin

Obr. 2 - Celkové schéma teplárny

ORC teplárna Sever Třebíč
Bývalé okresní město Třebíč se nachází v kraji Vysočina v jihovýchodní části České republiky, žije zde cca 40 000 obyvatel. Historie teplárny sahá do roku 1987, kdy byla uvedena do provozu jako tepelný zdroj spalující tuhá paliva pro areál učiliště ČEZ JE Dukovany. Vzhledem k tomu, že tento zdroj byl pro areál několikanásobně výkonově předimenzován, došlo v roce 1991 k jeho odstavení a plynofikaci areálu učiliště (dnes SPŠT a SOUT). Tento odstavený tepelný zdroj (kotelna, komín, skládka paliva) bez technologie, která byla dána do šrotu v prosinci roku 2000, zakoupila společnost TTS energo s.r.o. a začlenila jej do koncepce zásobování teplem a TUV v části Třebíče - Hájek - Nové Dvory - Brněnská jako vícepalivovou ekologickou teplárnu.

V roce 2001 byly v kotelně instalovány dva kotle na spalování zemního plynu o celkovém tepelném výkonu 10 MW_t a v lednu 2002 kotel na spalování biomasy o tepelném výkonu 3 MW_t. Dále byly instalovány dvě kogenerační jednotky na zemní plyn o celkovém tepelném výkonu 0,4 MW_t a celkovém elektrickém výkonu 0,272 MW_e. Jako záložní zdroj tepla je v areálu kotelny instalován mobilní kotel na spalování LTO a zemního plynu o tepelném výkonu 12 MW_t. V lednu 2005 byl spuštěn termoolejový kotel na spalování biomasy o tepelném výkonu 7 MW_t, který bude využit pro ohřev pracovní látky okruhu ORC. V současné době probíhá zkušební provoz jednotky ORC a k jejímu oficiálnímu spuštění dojde 1.června letošního roku.

K pokrytí výkonových špiček jsou v kotelně instalovány ještě dva kotle o topném výkonu 2 x 6 MW_t na spalování zemního plynu."

Kotelna K13 v současnosti zásobuje teplem zhruba 3 400 domácností, 3 základní a 4 mateřské školy a další objekty občanské vybavenosti v Třebíči.

Obr. 3 - Schéma zapojení termoolejového kotle 7MW_t a jednotky ORC

Provedení a zapojení termoolejového kotle na spalování biomasy (viz obr. 3) umožňuje jak provoz současné výroby tepla a elektrické energie tak pouze provoz výroby tepla, kdy je veškeré teplo z termoolejového okruhu vedeno přes paralelní výměník olej/voda a přes vložený okruh voda/voda do systému CZT.

Vcelku originálním řešením je zabezpečení termoolejového okruhu proti případné havárii na některé z částí tohoto okruhu. Prvním z nich je to, že při normálním provozu jsou spaliny vedeny ze spalovací komory přes hlavní olejový výměník tepla, olejový a vodní ekonomisér do multicyklónového odlučovače a komína. V případě havárie na okruhu termooleje jdou spaliny ze spalovací komory přímo přes bypassovou komoru a vodní ekonomisér do multicyklónového odlučovače a komína.Spaliny, jejichž teplota se pohybuje kolem 900°C, tak nepřijdou do bezprostředního kontaktu s termoolejovým okruhem. Dalším řešením je systém havarijního chlazení oleje, jehož hlavní části tvoří nádrž s vodní náplní a čerpadlo havarijního chlazení oleje. Jistou bariéru proti úniku oleje do systému CZT tvoří v neposlední řadě již výše zmíněný vložený okruh voda/voda, oddělující topnou vodu systému CZT od okruhu termooleje.

Zmínku si zaslouží také vodní beztlaký akumulátor tepla, který je napojen na prahu kotelny na rozvody tepla systému CZT. Jeho objem činí 1800 m³ a zajišťuje vyrovnání denní potřeby tepla systému CZT. Současně zabezpečuje také maximální využití jednotky ORC. Odpadá tedy nutnost chlazení přebytečného (odpadního) tepla při výrobě elektrické energie.

Vlastní provedení zapojení jednotky ORC je znázorněno na obr. 4.

Obr. 4 - Schéma zapojení jednotky ORC

V letošním roce se předpokládá celková produkce tepla z biomasy ve výši 35 800 MWh a výroby elektrické energie z biomasy ve výši 5 000 MWh.

Celkové investiční náklady na realizaci celého zdroje (ORC teplárna Sever - Třebíč) dosáhly zhruba 194 mil. Kč. Celkové investiční náklady spojené s vybudováním sítě CZT, včetně části dokončené v letošním roce, dosáhnou výše 119,5 mil.Kč.

Názornější bude souhrnné srovnání všech tří tepláren (Lienz, Třebíč, Trhové Sviny) využívajících technologii ORC k výrobě el. energie v závěrečném dílu článku.

Obr. 6 - Akumulátor 1800 m3, kotelna K13, Třebíč

Obr. 7 - Denní sklad paliva pro termoolejový kotel, kotelna K13, Třebíč